摘 要：在三相交流電路中，往往需要檢測三相相電流、線電流和頻率的變化，監(jiān)控線路電壓的波動，控制升溫、降溫、振動大小等，另外，還需要經(jīng)常了解三相負載的本身工作正常與否，從而做到實時調(diào)整。文章設(shè)計了一種實用的電壓/電流（V/I）、電流/電流（I/I）和頻率/電流（F/I）轉(zhuǎn)換器，將傳感器測量的電壓、電流和頻率信號轉(zhuǎn)換為電流信號以適應(yīng)遠距離檢測的需要，實驗結(jié)果表明三種轉(zhuǎn)換電路均能滿足設(shè)計指標。

關(guān)鍵詞：三相交流電；變送器；標準電流輸出

Abstract：In the three-phase alternating current，it is always necessary to detect the changes of three phase current linear current and frequency、monitor the volatility of line voltage and controll the temperature rise and fall、the speed of evaporation and the scale of vibrating etc.On the other hand ，we should constantly know that whether the three phase load itself is working normally ，so that we can modulate it timely.Having designed a kind of V/I 、I/I 、F/I converters，we can cater to the need of distant detection.The experimentation has improved ，the three transfer circuits all content to the indexes of design.

Key words：the three-phase alternating current； transmitter； the output of standardized current

引言

工業(yè)上對于三相交流電的測試一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上，兩者之間可能相距數(shù)十至數(shù)百米，測試結(jié)果若以電壓等形式傳輸，會出現(xiàn)信號減弱、失真等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致測試結(jié)果的不準確。若以電流形式傳輸則不會有衰減，適宜于遠距離傳輸。兩線制變送的突出優(yōu)點是現(xiàn)場變送器和控制室的儀表之間的聯(lián)系僅僅使用兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線既是供給變送器工作的電源線，又是信號輸出線。傳輸信號的下限為4mA，不與機械零點重合，不但可充分利用晶體管電路的線性段，而且容易識別斷電、斷線等故障。傳輸信號的上限為20mA，比0～10mA輸出方式大一倍，有利于提高信號輸送效力和信號的分辨能力。

根據(jù)需求設(shè)計了一種轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)將不同傳感器采集的三相交流電的不同物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為4～20mA的標準變送輸出，并且保證轉(zhuǎn)換精度≤2%，以便于后續(xù)的測試工作。轉(zhuǎn)換的物理參數(shù)包括利用基于DVL系列傳感器的信號處理模塊采集的三相交流電的電壓信號，利用基于DHR系列傳感器的信號處理模塊所采集的三相交流電的電流信號以及利用光耦傳感器和PIC18F97J60單片機接口電路將采集的頻率信號轉(zhuǎn)換成的計數(shù)脈沖信號[1]。

文章所設(shè)計的電路是可以實現(xiàn)0～2.5V電壓、0～125mA以及0～1KHz轉(zhuǎn)化為4～20mA標準變送輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計

V/I 轉(zhuǎn)換器是一種可以實現(xiàn)將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號輸出的電路。圖2是兩線制V/I變換電路的基本原理圖，轉(zhuǎn)換電路由OP1、Q1、R1、R2、Rs構(gòu)成。若A點由于某種原因高于0V，則運放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大。相當(dāng)于整體耗電變大，通過采樣電阻Rs的電流也變大，B點電壓變低（負更多）。結(jié)果是通過R2將A點電壓拉下來。反之，若A點因某種原因低于0V，也會被負反饋升高到0V。以上是負反饋過程，負反饋的結(jié)果是運放OP1虛短，A點電壓=0V。

電路正常工作需要2個條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流要供給調(diào)理電路以及變送器。其次要求運放器件能夠單電源工作，即在沒有負電源情況下，輸入端仍能夠接受0V輸入，并能正常工作。單電源供電時，輸入端從-0.3V～1.5V范圍內(nèi)都能正常工作。R5和U1構(gòu)成基準源，產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定的基準電壓。

1.1 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

利用萊姆電子的DVL系列傳感器所采集的三相交流電的0～2.5V直流電壓信號，輸入轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)4～20mA的交流電輸出。電壓/電流[2]的轉(zhuǎn)換即是將電壓信號轉(zhuǎn)換為隨輸入電壓變化的電流信號，在一定的負載變化范圍內(nèi)要求輸出電流能夠保持穩(wěn)定（不隨負載變化）具有這一特性的V/I轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示，下面是對設(shè)計電路的介紹。

圖3所示仿真電路中主要是由五個LT1078IN8運算放大器、一個BSS79B三極管以及其他輔助元件構(gòu)成。電路中U3A運放電路實質(zhì)上是一個檢波電路，其輸出端接入一個二極管實現(xiàn)對輸入信號的檢波作用，當(dāng)輸入信號為正弦信號時，其輸出信號相當(dāng)于加了絕對值的正弦信號，不存在負半軸信號。第二個運算電路U4A是跟隨器[3]，該電路作為緩沖級和隔離級，電壓放大器U3A輸出阻抗較高，后級輸入阻抗比較小，信號會相當(dāng)部分損耗在前級的輸出電阻，電壓跟隨器進行緩沖，起到承上啟下作用使電路性能得到進一步優(yōu)化。假設(shè)從跟隨電路輸出端的電壓值為Vin，則U2A運算放大器正向輸入端信號為V1，該電路公式推導(dǎo)如下：

V1=■V （1）

■=■ （2）

V5-V6=Iout*R13（3）

由公式2得公式4

V2-V3=V3-V5=V3-2V3-Iout*R13 （4）

將公式1、公式3帶入公式4得公式5

Iout=■A （5）

由公式5可以看出，當(dāng)輸入的電壓信號為0V時，則輸出的電流信號為4mA，而當(dāng)輸入的電壓信號為2.5V其電路輸出電流為20mA。

該電路的仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換電路輸入的電壓為零時，輸出電流為4.073mA；當(dāng)輸入電壓為2.5V，輸出電流為19.575mA。由此可見，該電路通過仿真可以滿足設(shè)計要求，即輸入信號為0～2.5V電壓信號，輸出信號為4～20mA的標準交流電信號。

（a）輸入0V時的輸出電流

1.2 電流/電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

利用萊姆電子DHR系列傳感器所采集的三相交流電的0～125mA電流信號，輸入轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA的交流電輸出。電流/電流[4]的轉(zhuǎn)換功能通過圖3所示的轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)，讓電壓源并聯(lián)電阻接入電路中從而模擬出電流源的電流輸入，通過電路仿真以及實際電路的調(diào)試，可以實現(xiàn)輸入電流為0～125mA，電路的輸出信號為4～20mA的標準交流電信號。

1.3 頻率/電流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

檢測三相交流電的頻率是否正常，利用光耦傳感器[5]和單片機接口電路將三相交流電的頻率信號轉(zhuǎn)換成的計數(shù)脈沖信號，輸入轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA的交流電。利用圖3電路，輸入電壓是通過利用單片機接口電路將輸入的頻率信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換成電壓信號作為電路輸入信號，即實現(xiàn)了輸入信號為0～1KHz的頻率信號轉(zhuǎn)化為0～2.5V的電壓輸入到所設(shè)計的轉(zhuǎn)換電路中，最終實現(xiàn)電路的輸出信號為4～20mA的標準交流電信號。

2 實驗

對實際電路進行調(diào)試，在電路的輸入端分別是電壓、電流以及頻率的情況下，觀察輸出端電流表示數(shù)并記錄在表格中。

表1為圖3電路的電壓/電流實驗結(jié)果，由表1可以看出，當(dāng)輸入交流電壓信號在0～2.5V之間時可以實現(xiàn)輸出電流為4～20mA的標準電流，其轉(zhuǎn)換精度為1.89%。

表2為圖3電路的電流/電流實驗結(jié)果，根據(jù)試驗結(jié)果來看，可以實現(xiàn)電流值0～125mA轉(zhuǎn)化為4～20mA的標準電流輸出，其轉(zhuǎn)換精度為1.68%。

表3為圖3電路的頻率/電流實驗結(jié)果，通過觀察實驗現(xiàn)象，利用單片機可以將0～1KHz的頻率信號轉(zhuǎn)化為0～2.5V的電壓輸入到電路中，最終實現(xiàn)4～20mA的交流電信號輸出，其轉(zhuǎn)換精度為1.2%。

3 結(jié)束語

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷增加，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電力部門對電網(wǎng)運行的穩(wěn)定和供電品質(zhì)要求也越來越高。因此，電力系統(tǒng)中需要實時采集電參量，以便實現(xiàn)電網(wǎng)的遠程監(jiān)控和調(diào)度的自動化。而電力參數(shù)如電壓、電流和頻率等數(shù)據(jù)采集和變送又是實現(xiàn)自動化的重要環(huán)節(jié)。文章設(shè)計了一種實用的電壓/電流（V/I）、電流/電流（I/I）和頻率/電流（F/I）轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)三相交流電的電壓、電流和三相頻率等電參數(shù)的4-20mA的標準變送輸出，以便于后續(xù)的傳輸及測試。

參考文獻

[1]廖紅梅.傳感器中的電壓/電流、電壓/頻率變換的實現(xiàn)[J].煤炭工程，2003（9）：46-47.

[2]蔡錦福.運算放大器原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].高等教育出版社，2006.

[4]楊振江.新穎實用電子設(shè)計與制作[M].西安電子科大出版社，2000.

[5]陳兆仁.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗研究與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

作者簡介：王元祖（1993，4-），男，河南開封，本科，大三本科在讀儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，合肥工業(yè)大學(xué)屯溪路校區(qū)本科生宿舍樓10號南樓505，合肥工業(yè)大學(xué)211級別。

朱懷謙（1985，4-），男，漢族，安徽宿州人，本科，助教，研究方向：高校思想政治教育與文化傳播。