文档介绍：传感器原理与检测技术
第十七章信号变换电路
§ 电流-电压变换器
§ 电压-电流变换器
§ 交流-直流变换器
§ 电阻-电压变换器
§ 电容-电压变换器
§ 电压-频率变换器
§ 电压-脉宽变换器
各种各样的传感器在应用中有不少共同点和需要注意
解决的问题,主要涉及到信号变换、驱动电路和外围电路
器件选择等问题。本章着重讨论信号变换电路。
实际应用中,敏感元件或传感器输出的信号可能是直
流电压、直流电流,也可能是交流电压、交流电流,甚至
是电阻值、电容值等等。在进行处理、传输、接口、显示
记录过程中,常常需要借助于各种信号变换器,进行信号
变换。
这些变换通常包括:
利用I-U变换把直流电流(I)变换成直流电压
(U);
利用u-U变换把交流电压(u)变换成直流电压(U)
(亦称 AC- DC变换);
利用i-U变换把交流电流(i)变换成直流电压(U);
利用R-U变换把电阻值(R)变换成直流电压(U)
(亦称Ω-U变换);
利用C-U变换把电容量(C)变换成直流电压(U);
利用f-U变换把频率(f)变换成直流电压(U);
利用U-H变换把电压(U)变换成脉冲宽度(H)。
电流-电压(I-U)变换器
最简单的电流-电压变换电路如图17-1所示, Uo=IiR
通常采用高输入阻抗运算放大器,如LM356、CF3140 、
F071~F074、 F353等,可方便地组成电流-电压变换器。
一个简单的方案如图17-2所示。它能提供正比于输入电流的
输出电压,比例常数就是反馈电阻R,
图17-1 最简单的电流-电压变换电路图17-2 简单电流-电压变换器电路
即 Uo I i R
如果运算放大器是理想的,那么它的输入电阻为∞,
输出电阻为零。R阻值的大小仅受运放的输出电压范围和
输入电流大小的限制。
一种大电流-电压变换器电路如图17-3所示。
电路中,利用小阻值的取样电阻Rs把电流转变为电压
后,再用差动放大器进行放大。~ 1A范围
内,交换精度为±%。
根据该电路的结构,只要选用
R1=R2=RF,R3=R4=R5=R6=Rf,则差动放大倍数为
Rf R f
Kd 2(1)( )
R7 RF
由上式可见,R7越小, Kd越大,调节Rw2,可以使Kd在
58~274内变化,当Kd =100时,电流-电压变换系数为
10V/A,运算放大器必须采用高输入阻抗(107~1012Ω)、
低漂移的运算放大器。
图17-3 大电流-电压变换器电路
微电流-电压变换电路如图17-4所示。
该电路只需输入5pA电流,就能得到5V电压输出。图
中,输入级CH3130本身输入阻抗极高,加上因同相输入端
和反相输入端均处于零电位,进一步减小了漏电流。如果
对输入端接线工艺处理得好,其漏电流可以小于1pA 。
第二级CH3140接成100倍反相放大器。根据输入电流
的极性,一方面产生反相的电压输出,一方面提供负反
馈,保证有稳定的变换系数。
该电路的一个特点在于反馈引出端不是在Uo,而是在
。按常规的接法, 10GΩ反馈电
阻产生的变换系数为1010,即 5pA电流产生 。
但是该电路的反馈从输出电压的 1/100分压点引出,将灵
敏度提高了100倍。于是,当输出Uo=5V时,反馈电阻两端
的电压为50mV,这时仅需电流为50mV/10GΩ=5pA。
图17-4 微电流-电压变换器电路
电压-电流(U-I)变换器
-I变换器
一个简单的U-I变换器电路如图17-5所示。它类似于一
个同相放大器,RL的两端都不接地。利用运算放大器的分析
概念,可得输出电流与输入电压的关系为
Ui
IO
R1 Rw
调节Rw就可以改变输入电压与输出电流之间的变换系
数。通常所用的运算放大器其输出最大电流约为20mA,为
了降低运算放大器功耗,扩大输出电流,在运算放大器的输
出端可加一个三极管驱动电路,如图17-6所示。该电路的输
入为 0~1V,输出为0~10mA。