西安航天動力試驗技術(shù)研究所 李正兵 祝 敏 蔡 琳 李 波

多功能通用信調(diào)器設(shè)計技術(shù)

西安航天動力試驗技術(shù)研究所 李正兵 祝 敏 蔡 琳 李 波

從通用傳感器測量物理量的原理出發(fā)，通過對傳感器輸出信號變換分析，論述了信調(diào)器基本設(shè)計思想，信調(diào)器功能擴(kuò)展，給出了信調(diào)器關(guān)鍵電路模塊設(shè)計實例，最后論述了信調(diào)器在工程實踐中的應(yīng)用。

信調(diào)器；信號源；電路設(shè)計

前言

在壓力、溫度、應(yīng)變和流量等參數(shù)測量系統(tǒng)中,傳感器將待測物理量信號轉(zhuǎn)變成電信號,傳統(tǒng)信調(diào)器主要完成傳感器激勵電源提供、輸出信號放大、濾波,并將濾波后信號轉(zhuǎn)變成某一標(biāo)準(zhǔn)范圍的電信號,供后端A/D數(shù)采系統(tǒng)記錄。

隨著微電子技術(shù)及測試技術(shù)的發(fā)展,對信調(diào)器的功能要求日益完善。除信號變換基本功能外,還需具備信號源輸出、輸入狀態(tài)切換、多類型變送器接入、信號輸出檢測等功能。但市場上的信調(diào)器大多功能單一,不能同時滿足壓力、溫度、流量等多種類型測量信號的調(diào)理要求。因此,研制建立多功能信調(diào)器,將大大簡化測量系統(tǒng)組成,加快測量通道故障檢查定位,對提高測試系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 設(shè)計思想

1.1 信調(diào)器基本電路設(shè)計思想

如圖1.1所示,V為施加給傳感器標(biāo)準(zhǔn)電源,ZX為傳感器輸出阻抗,ZS為信調(diào)器所帶標(biāo)準(zhǔn)阻抗,當(dāng)被測信號物理量改變時,傳感器輸出阻抗ZX相應(yīng)發(fā)生改變,則有：

圖1.1 信調(diào)器與傳感器接口設(shè)計

當(dāng)ZS＞＞ZX時,有：

其中：

Z0—傳感器感受物理量變化前阻抗;

ΔX—傳感器感受物理量變化前后阻抗的變化量。

即當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電源V、標(biāo)準(zhǔn)阻抗ZS一定時,k為常數(shù),傳感器的阻抗隨被測物理量線性變化時,也將線性變化,信調(diào)器將變成標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓,可根據(jù)校驗系數(shù),即可方便求得被測物理量。

例如,當(dāng)傳感器輸出為電容時,電路接口連接如圖1.2所示：

圖1.2 信調(diào)器與傳感器接口設(shè)計

根據(jù)公式(2)或(5),可得到通用信調(diào)器原理框圖如1.3所示,激勵電路為信號提取電路提供標(biāo)準(zhǔn)電壓,放大及濾波電路實現(xiàn)對交流信號KΔX線性變換,調(diào)零電路完成變送器零位輸出(V0)調(diào)整,信號輸出模塊實現(xiàn)直流信號到標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流輸出變換。

圖1.3 通用信調(diào)器原理框圖

當(dāng)輸出電壓與被測物理量不成線性變化時,可通過現(xiàn)場校驗的辦法對傳感器進(jìn)行原位校驗,得到物理量與變送器輸出電壓的對應(yīng)表。數(shù)據(jù)處理時,對采集到的電壓進(jìn)行插值或查表計算,得到相應(yīng)物理量。

1.2 信調(diào)器擴(kuò)充功能設(shè)計

根據(jù)目前測量信號的常用類型及測量系統(tǒng)檢查測試方法,信調(diào)器除完成信號變換基本功能外,其擴(kuò)充功能主要包括標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出,測量狀態(tài)切換等功能。標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出包括毫伏級與伏級直流電壓輸出、頻率量信號輸出、4mA電流輸出、20mA電流輸出等信號類型。測量狀態(tài)切換功能主要實現(xiàn)輸入端短路、程控電源輸入、橋路傳感器并電阻等功能。通過標(biāo)準(zhǔn)信號源輸入可實現(xiàn)測量通道現(xiàn)場校準(zhǔn),通過狀態(tài)切換可完成測量通道快速檢查、故障定位,如圖1.4所示。

圖1.4 通用信調(diào)器擴(kuò)充功能框圖

1.3 信調(diào)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

信調(diào)器組成主要包括主板、插件板、直流電源、信號檢測輸出及機(jī)箱等模塊。機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)3U高19英寸儀器箱,后面板安裝有輸入輸出航空插座與信號檢測輸出插座,前面板具有標(biāo)準(zhǔn)信號源輸入輸出插座、通道及電源狀態(tài)顯示等。插件板與主板采用歐式插頭座連接,每塊插件板包含2個通道,完成獨立傳感器激勵、信號放大、濾波等信號調(diào)節(jié)功能,主板實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓與電流信號源輸出、測量狀態(tài)切換、輸入輸出等功能,如圖1.5所示。

2 關(guān)鍵電路模塊實現(xiàn)

2.1 傳感器精密電源設(shè)計

2．1．1 精密可調(diào)直流電壓、電流源設(shè)計

目前,應(yīng)變式壓力傳感器大多要求直流電壓供電,電壓范圍從9～12V不等,具體激勵電壓與傳感器阻抗與靈敏度相關(guān),傳感器消耗電流小于50mA。壓阻式壓力傳感器或鉑電阻溫度傳感器,一般需要恒流源供電,電流在區(qū)間0.1～1.5mA范圍,為滿足傳感器對不同測量通道的激勵電源要求,需要設(shè)計高穩(wěn)定可調(diào)激勵電源,如圖2.1所示。

圖1.5 信調(diào)器結(jié)構(gòu)組成圖

主板直流電源輸出連接插件板隔離模塊V1,V1輸出獨立的隔離15V電壓源,一路電壓通過精密可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM217調(diào)整后,由調(diào)整電位器RvV為傳感器傳感器提供不同的激勵電壓。隔離模塊V1輸出為電壓提供標(biāo)準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)的同時,一路分給R14、R15、U4與功率管Q1,通過調(diào)整電位器RvI,三極管輸出所需不同大小的恒定電流。

2．1．2 精密交流電壓源設(shè)計

當(dāng)測量物理量傳感器為電容或電感類型時,傳感器供電要求為交流電壓源,通過對T型、LC、RC等振蕩電路的分析、比較,采用使用文氏振蕩阻容電橋與高精密穩(wěn)壓二極管相結(jié)合技術(shù),獲得輸出頻率、幅值連續(xù)可調(diào)的高穩(wěn)定激勵交流電壓源,如2.2圖所示。

R31、W2、C5、C6為選頻網(wǎng)絡(luò),與IC8A、W1、R30組成振蕩電路,IC8B對振蕩信號進(jìn)行幅值調(diào)整,IC9與高精度穩(wěn)壓管對交流電源進(jìn)行穩(wěn)壓與驅(qū)動。電路參數(shù)調(diào)整完畢后,可將電阻器交W1、W2、W3換成精密電阻,進(jìn)一步提高信號穩(wěn)定性。交流信號測試結(jié)果如表3.1所示,幅值與頻率準(zhǔn)確度分別優(yōu)于0.1%、0.1%。

表3.1 交流激勵電壓源每隔30分鐘測試數(shù)據(jù)

2.2 信號放大與濾波電路設(shè)計

由于應(yīng)變式傳感器輸出信號一般僅為毫伏級,有些甚至更小。為了方便信號濾波及后續(xù)AD采集,需要對信號進(jìn)行前置放大。AD624是一款高精密、低噪聲、低漂移、高共模抑制比儀表放大器,其輸入漂移電壓最大僅25μV,共模抑制比達(dá)130dB,非線性最大為0.005%。對應(yīng)的通頻帶為0--10kHz。信調(diào)器放大與濾波電路如圖2.3所示。

圖2.1 隔離可調(diào)精密電壓源與電流源原理圖

圖2.2 精密交流激勵電壓源原理圖

圖2.3 信號放大及濾波電路原理圖

圖2.4 信號源模塊電路原理圖

可通過放大倍數(shù)選擇開關(guān)選擇放大倍數(shù),R7、R8、R9、Rw0為應(yīng)變式全橋傳感器調(diào)零電路;R2、Rwb、SR1、L1、L2為橋路傳感器并電阻單元,調(diào)整Rwb可得到不同并電阻輸出電壓,當(dāng)并電阻開關(guān)向上時,并電阻指示二極管亮,開關(guān)向下,處于傳感器測試狀態(tài),測量二極管亮。

R5、R6、C7、C8、U2組成二階巴特沃斯濾波器單元。低通濾波器截止頻率由下式(6)計算：

表2 壓力傳感器經(jīng)過信調(diào)器放大后校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

2.3 信號源電路設(shè)計

AD694是AD公司精密電流轉(zhuǎn)換芯片,可使用單電源或雙電源供電,其非線性最大僅為0.02%,不但具有輸入緩沖單元,且提供2V或10V精密參考電壓輸出。使用AD694產(chǎn)生的電壓源與電流源如圖2.4所示,通過開關(guān)選擇輸出。TLC555是TI公司計時芯片,可與TTL、CMOS電路完全兼容,最大頻率可達(dá)2MHz,其與C1、R7、R8組成交流信號發(fā)生器,輸出頻率200、500Hz。所有電壓信號經(jīng)過U2緩沖器驅(qū)動輸出。

3 多功能信調(diào)器在參數(shù)測量中的應(yīng)用

多功能信調(diào)器研制完成后,己成功應(yīng)用于低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)測試、某型號閥門、減壓器可靠性壽命試驗。主要用于低溫應(yīng)變壓力傳感器、鉑電阻溫度傳感器、熱電偶、真空壓力傳感器及變送器信號放大,測量通道校準(zhǔn)。在壓力傳感器校準(zhǔn)過程中,分別記錄標(biāo)準(zhǔn)壓力源與信調(diào)器放大電壓數(shù),記錄數(shù)據(jù)與計算結(jié)果如表2所示,測試數(shù)據(jù)表明,系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于0.1%,線性良好,性能穩(wěn)定。

4 結(jié)論

盡管信調(diào)器己進(jìn)入測試領(lǐng)域很長時間,但類型多,功能單一,不能同時滿足壓力、溫度、流量等參數(shù)信號調(diào)節(jié)要求。本文設(shè)計的信調(diào)器具有信號變換精度高、性能穩(wěn)定、可滿足目前大部分傳感器信號變換等特點,且具有信號源、狀態(tài)切換、信號校準(zhǔn)與檢測等附加功能,在工程實踐中使用方便,適用于緩變參數(shù)測量領(lǐng)域。

[1]李正兵．高精度新型調(diào)制變送器的設(shè)計[J]．火箭推進(jìn),2011,36(5):67-69．

[2]揚(yáng)振江,孫占彪．智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[M]．西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001(12)．

[3]馬場清太郎．運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計[M]．北京:科學(xué)出版社,2007(4)．

[4]黃建設(shè)．電容式變送器的一種故障的診斷處理．控制工程,2003,11:495-496．

技術(shù)基礎(chǔ)項目：該課題由科工局技術(shù)基礎(chǔ)JSJC2013203A001項目提供支持。

李正兵（1968—），男，研究員，主要從事液體火箭發(fā)動機(jī)試驗測控系統(tǒng)設(shè)計。