多功能通用信调器设计技术

2015-11-07西安航天动力试验技术研究所李正兵

电子世界 2015年14期

关键词：信号源物理量电路

西安航天动力试验技术研究所李正兵祝敏蔡琳李波

多功能通用信调器设计技术

西安航天动力试验技术研究所李正兵祝敏蔡琳李波

从通用传感器测量物理量的原理出发，通过对传感器输出信号变换分析，论述了信调器基本设计思想，信调器功能扩展，给出了信调器关键电路模块设计实例，最后论述了信调器在工程实践中的应用。

信调器；信号源；电路设计

前言

在压力、温度、应变和流量等参数测量系统中,传感器将待测物理量信号转变成电信号,传统信调器主要完成传感器激励电源提供、输出信号放大、滤波,并将滤波后信号转变成某一标准范围的电信号,供后端A/D数采系统记录。

随着微电子技术及测试技术的发展,对信调器的功能要求日益完善。除信号变换基本功能外,还需具备信号源输出、输入状态切换、多类型变送器接入、信号输出检测等功能。但市场上的信调器大多功能单一,不能同时满足压力、温度、流量等多种类型测量信号的调理要求。因此,研制建立多功能信调器,将大大简化测量系统组成,加快测量通道故障检查定位,对提高测试系统可靠性具有重要意义。

1 设计思想

1.1 信调器基本电路设计思想

如图1.1所示,V为施加给传感器标准电源,ZX为传感器输出阻抗,ZS为信调器所带标准阻抗,当被测信号物理量改变时,传感器输出阻抗ZX相应发生改变,则有：

图1.1 信调器与传感器接口设计

当ZS＞＞ZX时,有：

其中：

Z0—传感器感受物理量变化前阻抗;

ΔX—传感器感受物理量变化前后阻抗的变化量。

即当标准电源V、标准阻抗ZS一定时,k为常数,传感器的阻抗随被测物理量线性变化时,也将线性变化,信调器将变成标准电流或电压,可根据校验系数,即可方便求得被测物理量。

例如,当传感器输出为电容时,电路接口连接如图1.2所示：

图1.2 信调器与传感器接口设计

根据公式(2)或(5),可得到通用信调器原理框图如1.3所示,激励电路为信号提取电路提供标准电压,放大及滤波电路实现对交流信号KΔX线性变换,调零电路完成变送器零位输出(V0)调整,信号输出模块实现直流信号到标准电压或电流输出变换。

图1.3 通用信调器原理框图

当输出电压与被测物理量不成线性变化时,可通过现场校验的办法对传感器进行原位校验,得到物理量与变送器输出电压的对应表。数据处理时,对采集到的电压进行插值或查表计算,得到相应物理量。

1.2 信调器扩充功能设计

根据目前测量信号的常用类型及测量系统检查测试方法,信调器除完成信号变换基本功能外,其扩充功能主要包括标准信号源输出,测量状态切换等功能。标准信号源输出包括毫伏级与伏级直流电压输出、频率量信号输出、4mA电流输出、20mA电流输出等信号类型。测量状态切换功能主要实现输入端短路、程控电源输入、桥路传感器并电阻等功能。通过标准信号源输入可实现测量通道现场校准,通过状态切换可完成测量通道快速检查、故障定位,如图1.4所示。

图1.4 通用信调器扩充功能框图

1.3 信调器结构设计

信调器组成主要包括主板、插件板、直流电源、信号检测输出及机箱等模块。机箱采用标准3U高19英寸仪器箱,后面板安装有输入输出航空插座与信号检测输出插座,前面板具有标准信号源输入输出插座、通道及电源状态显示等。插件板与主板采用欧式插头座连接,每块插件板包含2个通道,完成独立传感器激励、信号放大、滤波等信号调节功能,主板实现标准电压与电流信号源输出、测量状态切换、输入输出等功能,如图1.5所示。

2 关键电路模块实现

2.1 传感器精密电源设计

2．1．1 精密可调直流电压、电流源设计

目前,应变式压力传感器大多要求直流电压供电,电压范围从9～12V不等,具体激励电压与传感器阻抗与灵敏度相关,传感器消耗电流小于50mA。压阻式压力传感器或铂电阻温度传感器,一般需要恒流源供电,电流在区间0.1～1.5mA范围,为满足传感器对不同测量通道的激励电源要求,需要设计高稳定可调激励电源,如图2.1所示。

图1.5 信调器结构组成图

主板直流电源输出连接插件板隔离模块V1,V1输出独立的隔离15V电压源,一路电压通过精密可调稳压芯片LM217调整后,由调整电位器RvV为传感器传感器提供不同的激励电压。隔离模块V1输出为电压提供标准电压基准的同时,一路分给R14、R15、U4与功率管Q1,通过调整电位器RvI,三极管输出所需不同大小的恒定电流。

2．1．2 精密交流电压源设计

当测量物理量传感器为电容或电感类型时,传感器供电要求为交流电压源,通过对T型、LC、RC等振荡电路的分析、比较,采用使用文氏振荡阻容电桥与高精密稳压二极管相结合技术,获得输出频率、幅值连续可调的高稳定激励交流电压源,如2.2图所示。

R31、W2、C5、C6为选频网络,与IC8A、W1、R30组成振荡电路,IC8B对振荡信号进行幅值调整,IC9与高精度稳压管对交流电源进行稳压与驱动。电路参数调整完毕后,可将电阻器交W1、W2、W3换成精密电阻,进一步提高信号稳定性。交流信号测试结果如表3.1所示,幅值与频率准确度分别优于0.1%、0.1%。

表3.1 交流激励电压源每隔30分钟测试数据

2.2 信号放大与滤波电路设计

由于应变式传感器输出信号一般仅为毫伏级,有些甚至更小。为了方便信号滤波及后续AD采集,需要对信号进行前置放大。AD624是一款高精密、低噪声、低漂移、高共模抑制比仪表放大器,其输入漂移电压最大仅25μV,共模抑制比达130dB,非线性最大为0.005%。对应的通频带为0--10kHz。信调器放大与滤波电路如图2.3所示。

图2.1 隔离可调精密电压源与电流源原理图

图2.2 精密交流激励电压源原理图

图2.3 信号放大及滤波电路原理图

图2.4 信号源模块电路原理图

可通过放大倍数选择开关选择放大倍数,R7、R8、R9、Rw0为应变式全桥传感器调零电路;R2、Rwb、SR1、L1、L2为桥路传感器并电阻单元,调整Rwb可得到不同并电阻输出电压,当并电阻开关向上时,并电阻指示二极管亮,开关向下,处于传感器测试状态,测量二极管亮。

R5、R6、C7、C8、U2组成二阶巴特沃斯滤波器单元。低通滤波器截止频率由下式(6)计算：

表2 压力传感器经过信调器放大后校准数据

2.3 信号源电路设计

AD694是AD公司精密电流转换芯片,可使用单电源或双电源供电,其非线性最大仅为0.02%,不但具有输入缓冲单元,且提供2V或10V精密参考电压输出。使用AD694产生的电压源与电流源如图2.4所示,通过开关选择输出。TLC555是TI公司计时芯片,可与TTL、CMOS电路完全兼容,最大频率可达2MHz,其与C1、R7、R8组成交流信号发生器,输出频率200、500Hz。所有电压信号经过U2缓冲器驱动输出。

3 多功能信调器在参数测量中的应用

多功能信调器研制完成后,己成功应用于低温压力传感器现场校准测试、某型号阀门、减压器可靠性寿命试验。主要用于低温应变压力传感器、铂电阻温度传感器、热电偶、真空压力传感器及变送器信号放大,测量通道校准。在压力传感器校准过程中,分别记录标准压力源与信调器放大电压数,记录数据与计算结果如表2所示,测试数据表明,系统标准偏差优于0.1%,线性良好,性能稳定。