一種毫伏信號(hào)遠(yuǎn)程傳送的電路

孫國榮　孫巍　姜一東

摘要：在毫伏信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸過程中，干擾通常是通過電源線和地線串入小信號(hào)電壓傳輸系統(tǒng)引起信號(hào)傳輸?shù)恼`差，在工業(yè)控制中甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，必須將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，增強(qiáng)傳輸加強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性，消除由共地和共電源線而串入的干擾信號(hào)。

關(guān)鍵詞：毫伏信號(hào)；抗干擾性；信號(hào)傳輸

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）12-0064-02

一、引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要在兩個(gè)不同的模塊之間傳送模擬信號(hào)，并且要保證安全可靠的傳送。通常兩個(gè)不同模塊之間的電位可以相差幾百伏乃至幾千伏。特別是在一些以微處理器為核心的電力電子裝置中，需要傳送代表輸出特性的參考信號(hào)，而運(yùn)行于高頻開關(guān)狀態(tài)的功率電路與控制電路往往不在同一電路板上，為了防止強(qiáng)電磁干擾串到微機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，并降低工頻干擾，在信號(hào)傳送的時(shí)候需要嚴(yán)格隔離。在工業(yè)過程控制與測(cè)量系統(tǒng)中更是普遍需要用到模擬量隔離傳輸技術(shù)。為了解決毫伏小信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸中抗干擾的問題，用低成本高可靠的產(chǎn)品，在高干擾下實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸并増加生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。

二、電路框架

毫伏信號(hào)由于其幅度太小，而且電信號(hào)中有許多成分，其中又有不需要的交流信號(hào)，為了將這些不需要的交流信號(hào)去掉，所以需要將其先通過濾波，通過濾波后的小信號(hào)依然還很小，因此需要進(jìn)一步將小信號(hào)放大，但放大后的小信號(hào)仍然很不穩(wěn)定，經(jīng)過進(jìn)一步的濾波后的信號(hào)將會(huì)穩(wěn)定很多，但是依然達(dá)不到工業(yè)上的要求，因此需要轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)加上一定的整形，將其功率放大，繼而能相當(dāng)好的提高抗干擾能力。

1.干擾與解決方法。在工業(yè)應(yīng)用中外部干擾普遍存在于電源干擾、電路接地不當(dāng)干擾、電磁兼容性和空間電磁耦合干擾這三類干擾。毫伏信號(hào)很容易受到內(nèi)部和外界的一些不需要的電壓、電流以及電磁騷動(dòng)的干擾。采用加上整形電路與濾波電路，利用它們的特性，使放大后已經(jīng)產(chǎn)生變形的波形重新進(jìn)行整形與濾波等一系列的轉(zhuǎn)變，最終傳輸出能為我們所使用的坡形較為陡直且無多余紋波信號(hào)的矩形波，以便信號(hào)接收器能清晰地接收。

2.同相一級(jí)、二級(jí)放大器。同相一級(jí)放大器如圖1所示，R12、R14與R13引入深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，所以運(yùn)放工作在線性區(qū)。

一級(jí)放大倍數(shù)的計(jì)算：Auf=1+[R13÷（R12+R14）]=1+[20÷（10+20）]≈1.67

因?yàn)橥ㄟ^一級(jí)放大信號(hào)不能過大，所以需要再次使用放大器，同相二級(jí)放大器如圖2所示。

同相二級(jí)放大倍數(shù)的計(jì)算：當(dāng)滑動(dòng)變阻器RP1的阻值調(diào)到0時(shí)，Auf=1+[R3÷（R5+RP1）]=1+（1.5÷33）≈1.045；當(dāng)滑動(dòng)變阻器RP1的阻值調(diào)整到最大時(shí)，Auf=1+[R3÷（R5+RP1）]=1+（1.5÷43）≈1.035。

3.壓頻變換器電路。圖3為壓頻變換器電路，運(yùn)放LM324和晶體管T1構(gòu)成電壓—電流變換電路，輸入電壓VIN變成電流Vin÷R7（1+R2÷R4）。555構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路，輸出脈沖寬度為1.1R10×C2秒。D1和D2是管理恒流Vz/R6流向的開關(guān)。假定開始555輸出低電平，則T2的恒定電流流過D2旁路，D1截止，C1由T1的電流VIN÷R7（1+R2÷R4）（略去T1的基極電流）積分充電。當(dāng)C1充電使555第2腳電壓下降到5V時(shí)，555受觸發(fā)輸出定時(shí)1.1×R10×C2的高電平。在此高電平維持期間，D2截止，T2的恒定電流經(jīng)D1向C1反積分放電。放電的電流和時(shí)間均固定，故電荷也固定。定時(shí)放電結(jié)束后，C1又由T1積分充電，這個(gè)充電電荷也應(yīng)與反電荷相等，達(dá)到充放電平衡。VIN值大則C1的充電電流大，充電時(shí)間短，555輸出脈沖的周期就短，頻率高；反之則輸出頻率低。VIN與VOUT有以下線性關(guān)系：V=R4×V÷（R2+R4）×R7×I×C2×Tw。其中I×C2是T2的恒流值，Tw等于1.1×R10×C2是555單穩(wěn)定時(shí)脈沖寬度。R2、R4是輸入分壓電阻。

影響精度的主要因素為R2、R4、R6、R7、C1及C2的穩(wěn)定性，T2的恒流特性，T1的hFE線性，等等。D1、D4用高速開關(guān)二極管，D2用高穩(wěn)定性的穩(wěn)壓管，如2DW232～235。

4.以下是實(shí)際仿真波形。

三、結(jié)論

毫伏信號(hào)經(jīng)過施密特整形電路，到達(dá)波形整波的目的，使原有信號(hào)變成上下幅度較大、波形比較陡直的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過π型濾波電路，濾除掉因整形而產(chǎn)生的多余的紋波信號(hào)。信號(hào)再次經(jīng)過一次施密特整形電路，是為了完成信號(hào)的再次整形，使波形更加接近于矩形波。隨后，信號(hào)經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器，它的觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，使用下降沿觸發(fā)是為了防止空翻，使觸發(fā)更具可靠性。而且單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器還能完成F/V之間的轉(zhuǎn)換，使頻率轉(zhuǎn)換成電壓，被更遠(yuǎn)地傳送出去。再次，信號(hào)經(jīng)過一次L型的濾波，使信號(hào)波形能夠更加陡直，電路中多次進(jìn)行整形與濾波都是為了使波形更加接近于陡直的矩形波。最后，信號(hào)經(jīng)過阻抗跟隨器增大輸入阻抗，減小輸出阻抗，使負(fù)載能力得到提升便于遠(yuǎn)距離的傳輸。此電路結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，具有極強(qiáng)的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]燕慶名.信號(hào)與系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]孫津平.數(shù)字電子技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[3]朱桂平，劉秀成，徐福娞.電路原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題集[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[4]胡斌.電子工程師必備：九大系統(tǒng)電路識(shí)圖寶典[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[5]王劍宇.高速電路設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.