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11~12年度阶段1第3次课2_变送器设计_图文

变送器设计与实现

变送器设计与实现
一.基本要求
测量温度: 0℃ ~ 100℃ 输出电压: 0 ~ 5V
测量误差: 满刻度1%(0.05V或1 ℃ ) 负载阻抗: >1 MΩ 限制条件: 0V ≤输出电压≤5V 安装: 独立电路板结构

二.传感器
1. 激励源 ? 有源/无源 ? 交流/直流 ? 电压/电流 ? 恒定电压/恒定电流 2. 输出形式 ? 模拟量/开关量 ? 电压/电流/电抗 ? 平衡输出/非平衡输出

3. 特性 ? 灵敏度 ? 线性度 ? 精度 ? 分辨率 ? 飘移 ? 重复性 ? 动态响应

三.传感器信号处理电路
1. 滤波 消除、抑制干扰 2. 变换 ? I(电流)→ V(电压) ? 电抗→电压 ? 电抗→F(频率)→电压 3. 标准化 ? 平移 使输出信号过 0 ? 放大 弱电压转换为 0~5V 或 4~20mA ? 整形 将频率输出转换为脉冲信号

四.测温传感器选择
1. 集成温度传感器 AD592 ? 供电:+4V~ +30V o ? 温度系数:1uA/ K ? 0 ℃输出:273.2uA ? 工作温度:-25 ℃ ~ +105 ℃ ? 非线性误差:0.1 ℃ ~ 0.5 ℃ ? 重复误差:±0.1 ℃ ? 时飘:±0.1 ℃/月 AD592输出量为随温度变化的电流,抗干扰能 力强,信号调理电路容易实现。

2. 铂电阻温度传感器 PT1000 ? 供电:无源 ? 温度系数:近似 0.003851/ ℃ ? 0 ℃输出:1000Ω ? 工作温度:-200 ℃ ~ +650 ℃ ? 响应时间:2S ~ 30S(与结构有关) 铂金属性能非常稳定,制成的温度传感器重复 性和长期稳定性非常好,工作温度范围很宽。 铂电阻的温度—电阻关系是由一多项式确定的 近似线性关系,通常通过查分度表获得温度值。 铂电阻的阻值需要用电路变换为电压,电路复 杂,为避免自热现象工作电流不能过大。

3. 热电偶温度传感器(T型)
? 供电:无源 ? 温度系数:非线性 ? 0 ℃输出:0uV ? 工作温度:-200 ℃ ~ +400 ℃ 热电偶利用 2 种金属接点的热电效应进行温度 测量,工作温度范围宽,抗冲击,相应速度快。 热电偶灵敏度低(几十 uV/ ℃ ),易受干扰。 热电偶输出电压与温度变化呈非线性关系,并 且测量中需要冷端补偿,信号调理电路构成复杂。

4. 集成数字温度传感器 DS1820 ? 供电:+3.0V~ +5.5V

? 输出:9bit 数字量
? 测量精度:0.5 ℃ ? 工作温度:-55 ℃ ~ +125 ℃ ? 一线串行数字接口 ? 0功率待机 DS1820 为单片式数字化的测温传感器,无需 信号调理电路,无需外围元件,直接输出温度的数 字量值。

5. 温度传感器对比选择
从几种典型的测温传感器特性对比可知:

? 热电偶灵敏度低,温度与输出为非线性关系, 信号调理电路复杂,适合宽温范围测温。
? 铂电阻温度与输出非理想线性关系,需作电抗 到电压的转换,电路复杂,适合宽温范围测温。

? DS1820 采用一线串行数字控制,操作过程复 杂,初学者不易掌握。
? AD592 输出电流与温度成线性关系,抗干扰能 力强,精度满足设计要求,响应速度快,信号调 理电路容易实现。为首选测温传感器。

五.电流/电压转换电路设计
1. AD592 特性分析
VCC

i(uA)

AD592

373 273

i2 i1

电流表

0
i1=273uA 1uA/℃ T=0℃ T=100℃ i2=373uA

100

T(℃)

i2-i1=100uA

2. 变送器特性分析
V0 (V)

5

0
vo=0V T=0℃ T=100℃ vo=5V

100

T(℃)

5V/100 ℃ = 0.05V/℃

3. 电流→电压转换电路方案 ⑴ 电阻取样电路
VCC

Vi(V)

i

0.373
0.273
+

0.200

vi
-

R=1K

0.100
T(℃)

0

100

T = 0℃ T = 100℃

i = 273uA i = 373uA

Vi=0.273V Vi=0.373V

⑵ 运算放大器电流→电压转换电路 V0 (V) R
i0 V2 V1 i1 i2

V0

18.65V

13.65V

R i(uA)
273 ?A 373 ?A
i1=0
i2=i0-i1=i0 V1=V2=0

i0=0
Vo=R×i0=0V i0=100uA

R=50K T = 0℃ i0 = 273uA

T = 100℃ i0 = 373uA

Vo=R×i0

Vo=R×i0=5V

Vo=13.65V

Vo=18.65V

六.放大与平移电路设计
1.运算放大器电流→电压转换电路的平移方案 ⑴ AD592的恒流补偿电路 i(uA)
+V

273uA 恒流源 AD592

i2 i i1
-V

373 273 200 100
T(℃)

0
i1 = 273uA i1 = 373uA i2 = 273uA i2 = 273uA

T = 0℃ T = 100℃

100 i = 0uA i = 100uA

⑵ 平移后的电流→电压转换电路特性
+V

50K R1

V0 (V) V0

i2 i i1
-V

V2 V1 R

5

i(uA)
0
100
Vo=0V Vo=5V Vo=50×(i1- 273)×10-3 i1 = 273uA(0℃) i1 = 373uA (100℃)

V1=V2=0 i2= +V/R1 = 273uA i = i1- i2=i1- 273uA

2.电阻取样电路的平移方案 ⑴ 电阻取样恒压补偿电路
VCC

Vi(V)

i vi
+

0.373
0.273 0.200

vR R=1K
-

vs

0.100
T(℃)

0
Vs= -0.273V T = 0℃ T = 100℃ VR = 0.273V VR = 0.373V

100
Vi=VR+VS=0V Vi=VR+VS=0.1V

⑵ 用同相比例放大电路实现设计要求
VCC

V0 (V) AD592 1K

v1 vi
R1 Rf

V0

5

0.273V

0
V1= Vi , T = 0℃, Vo= V1(1 + Rf /R1) V1= 0V, Vo= V1×(1 + Rf /R1)=0V

0.1 Vi(V)

T = 100℃, V1= 0.1V, Vo= 0.1×(1 + Rf /R1)=5V 解得:Rf /R1=49

3.反相加法电路实现的平移方案 ⑴ 运算放大器实现的反相放大电路
Rf Vi R1 V2 i1 V0 (V)

i2

0.273 0.373 V (V) i
V0

i

V1
R

- 13.65V - 18.65V

i1=0 i2=i - i1= i

V1=V2=0 i=Vi/R1

i0=0 Vi=0.273V Vo= -Rf×i = -Vi×Rf/R1 T = 0℃ Vo= -13.65V ΔVi = 0.1V Vo= -ΔVi×Rf/R1= -5V Rf/R1= 50 T = 100℃ Vi=0.373V Vo= -18.65V

⑵ 运算放大器平移电路方案
Vs Vi R2 R1 is V2 i1 Rf V0 (V)

i2

0.1 0.273 0.373
V0

i V1
R

- 5V

Vi(V)

- 13.65V
- 18.65V

i1=0
Vi=0.273V T = 0℃ i2= i + is - i1= i + is Vo= -Rf×i2 i2= Vi/R1+ Vs/R2 = -(Vi+Vs)×Rf/R1 Vo= -0×50=0V 若 R1=R2 T = 100℃ Vi=0.373V = -(Vi+Vs) ×50

i2= (Vi+ Vs)/R1

Vs = -Vi0= -0.273V

Vo= -0.1×50= -5V

七.信号调理电路设计
1. 恒流补偿原理变送器电路 ⑴ 电路原理图
+12 R1 1K D1 9 . 1V 1 00 u 1 04 VR2 1 0K

VR1 5K

R4 4 7K +12

+5 D2 1 N41 48 R5 1K

R2 3 0K

1 04

V0

AD592+
R3 4 7K 1 04 D3 1 N41 48

AD592-1 2

-1 2

⑵ 电路参数计算 稳压电路 — 为恒压补偿电路提供稳定的电压 稳压二极管 D1 工作电流取 3mA 限流电阻 R1 ? (12V ? 9.1V ) ? 3mA ? 970 ? R1 取 1K
恒压补偿电路 — 提供 273uA 恒定补偿电流 限流电阻 R2 ? VR1 ? 9.1V ? 273 ?A ? 33.3K R2 取 30K,VR1 取 5K 增益控制电路 — 控制输出满度电压为 5V 满度输入电流为 373 ?A - 273 ?A ? 100 ?A 电阻 R4 ? VR2 ? 5V ? 100 ?A ? 50K R4 取 47K,VR2 取 10K

2. 恒压补偿原理变送器电路 ⑴ 电路原理图
+12 +12 +12 1 04 1 04 D2 1 N41 48 R5 1K +5

AD592+

AD592R2 1 0K 1 04 1 04

V0

D3 1 N41 48

-1 2 VR1 5K R1 3K 1 00 u D1 3 . 3V -1 2 R3 1 0K

R4 -1 2 3 9K

VR2 5K

1 04

⑵ 电路参数计算 稳压电路 — 为恒流补偿电路提供稳定的电压 稳压二极管 D1 工作电流取 3mA 限流电阻 R1 ? (12V ? 3.3V ) ? 3mA ? 2.9K R1 取 3K
恒压补偿电路 — 提供 3.3V 恒定压降 电阻 R2 ? VR1 ? 3.3V ? 273 ?A ? 12.1K R2 取 10K,VR1 取 5K 增益控制电路 — 控制输出满度电压为 5V 满度输入电压为 100 ?A ? 12.1K ? 1.21V 电阻 R4 ? VR2 ? 5V ? 1.21V ? 4.13K R4 取 39K,VR2 取 5K

3.反相加法平移原理变送器电路 ⑴ 电路原理图
+12 R3 3K 1 00 u D1 3 . 3V VR1 5K R4 1 0K

1 04 VR2 1 0K

R5 4 7K +12 +12 1 04 R2 1 0K

+5 1 04 D2 1 N41 48 R7 1K

V0

AD592+
R1 1 0K 1 04 R6 4 7K 1 04

D3 1 N41 48

AD592-1 2

-1 2 -1 2

⑵ 电路参数计算 稳压电路 — 为恒流补偿电路提供稳定的电压 稳压二极管 D1 工作电流取 3mA 限流电阻 R3 ? (12V ? 3.3V ) ? 3mA ? 2.9K R3 取 3K
平移电路 — 抵消 0℃ 取样电压 电阻 R4 ? VR1 ? 3.3V ? ( 2.73V/10K) ? 12.1K R4 取 10K,VR1 取 5K 增益控制电路 — 控制输出满度电压为 5V 满度输入电压为 2.73V ? 3.73V ? ?1.00V 电阻 R5 ? VR2 ? (5V ? 1V) ? 10K ? 50K R5 取 47K,VR2 取 10K

八.安装结构
AD592+
AD592变送器输出 +5V +5V

信号调理电路
-12V +12V
GND GND GND

-12V +12V
GND

九.设计要求及注意事项
1. 滑动变阻器的使用 电路中电阻的阻值需要调整的可以使用滑动变 阻器。使用中滑动变阻器应串接电阻,使滑动变阻 器单位旋转角度的阻值变化尽量小,以保证调整更 精确,并减小各种因素对阻值稳定的影响。 2. 稳压二极管的使用 为了获得稳定的电压,可以利用稳压二级管的 反向击穿特性设计稳压电路。使用中应注意稳压二 极管只有通过一定的电流的情况下,才能获得稳定 的电压,应正确计算限流电阻的阻值。

3. 电路干扰的抑制 可以在直流放大电路的负反馈电阻上并接电容 来降低交流增益抑制噪声。但是电容不宜太大,否 则会延长放大器对于被测信号的响应时间。
4. 模拟/数字电源的区分使用 模拟电路与数字电路的电源尽量分开,否则会 产生不良耦合,干扰模拟测量电路的正常工作。 5. 限幅电路设计注意 限幅电路由限幅二极管和限流电阻组成,用于 保护后级电路。限流电阻不可以没有,也不可以太 大,否则会造成信号衰减,影响测量精度。

实验室库房能提供的元件:
滑动变阻器 1K 稳压二极管 3.3V 运放 OP07

2K
型号:3296 5K 10K

4.7V
7.5V 8.2V

LM358

20K
50K

7.8V
9.1V


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