一種新型電流脈寬轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用

1、 一種新型電流/脈寬轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用一、引言4-20mA電流環(huán)作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號，具有布線簡單，負(fù)載能力及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控、儀器儀表等領(lǐng)域。許多應(yīng)用場合，都遇到對電流環(huán)的測量問題。目前解決此問題通常采用下面圖1的方案。圖中電流流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻R（通常取值250-750歐）后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，再?jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。此外，工業(yè)上還有許多電流輸出型傳感器，其信號輸出為與被測量有確定關(guān)系的電流量，但不是標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流環(huán)。一般對它的測量方案與電流環(huán)的測量方案相同。但該測量方案中存在下列問題：（1）系統(tǒng)精度由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度決定，要想提高精度就需要采用高精

2、度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而（2）使系統(tǒng)成本增加；（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換器同后續(xù)的數(shù)字電路（例如單片機(jī)）接口時，占用的數(shù)字資源較多；（4）有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器外圍電路比較麻煩。為解決上述測量方案中存在的問題，本文介紹了一種電流/脈寬轉(zhuǎn)換電路，通過測量脈寬可以測量電流信號。本電路具有測量范圍廣，精度高，構(gòu)成簡單，調(diào)試方便和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。R 傳感器模塊 ADC MCU電流環(huán) 圖1 常用的標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)測量方案二、 電流/脈寬轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)和原理 本文設(shè)計的電流/脈寬轉(zhuǎn)換電路只用了一塊555集成電路實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器的輸出連接到555電路的7、2、6端，555電路的輸出端3就可以輸出脈沖電壓信號。其工作原理如下

3、： 圖2中555電路工作在多諧振蕩方式下，它的放電端7、閾值端6、觸發(fā)端2均相連于a點(diǎn)。當(dāng)電容C1上(a點(diǎn))的電位低于VCC/3時，即555的2端電位低于VCC/3，其內(nèi)部的放電管截止，放電端7與其內(nèi)部電路斷開。此時，傳感器模塊的輸出電流I對電容C1充電，這個過程可以看作一個恒定電流對電容充電過程，于是a點(diǎn)電位隨著電容C1的充電而線性地上升(充電期T1)，在此期間555電路的輸出端3輸出高電平。當(dāng)a點(diǎn)的電位上升到2VCC/3時，555電路內(nèi)部的放電管導(dǎo)通，放電端7相當(dāng)于與內(nèi)部一個小電阻(有些資料報導(dǎo)約10歐)相連并接地。于是a點(diǎn)電位隨著電容C1的迅速放電而快速下降(放電期T2)，在此期間555

4、電路的輸出端3輸出低電平。當(dāng)a點(diǎn)電位隨著電容C1的放電而下降到低于VCC/3時，又將重復(fù)前過程，如此周而復(fù)始，便形成周期性的脈沖信號輸出。由于a點(diǎn)的電位在VCC/32VCC/3之間變化，即電容上的電壓幅值在2VCC/3-VCC/3= VCC/3之間變化，因此充電期T1為： T1= C1VCC/3I （1）式中單位：C1為法拉，VCC為伏，I為安培，T1為秒。 電容C1放電時，其電位在2VCC/3VCC/3之間變化，所以放電期T2為： T2=0.693 R內(nèi)C1 (2)式中，R內(nèi)為555電路內(nèi)部放電管導(dǎo)通時的等效電阻。a VCC 輸出 I 傳感器模塊 8 47 2 555 36 1 5C1 C2

5、 VO 圖2 電流/脈寬轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)電路中，電流I與充電時間T1有著確定的關(guān)系，即電路輸出的瞬時高電平脈寬與輸入電流成反比。該電路的輸出連續(xù)地跟蹤輸入電流，直接響應(yīng)輸入電流的變化，實(shí)現(xiàn)了電流/脈寬轉(zhuǎn)換。三、電路參數(shù)的選取及討論圖2所示的電路中，充電時間為T1，由（1）式知，如果C1和VCC為定值，則可以通過測量T1求得I值。T1的大小可通過8051單片機(jī)進(jìn)行測量，若單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘采用12MHz晶振，其定時器最小分辨率為1s。由（1）式知I=K/ T1，其中K= C1VCC/3為比例系數(shù)。下面是在一組電路參數(shù)下對標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)的測量結(jié)果及分析。假設(shè)電路參數(shù)：VCC=5V；C1=47F；則K=783

6、33s·mA。T1用普通8051單片機(jī)測量，系統(tǒng)晶振為12MHz。當(dāng)傳感器模塊的輸出電流I=4mA時，T1=19583s；I=20 mA時，T1=3917s。其最大有效位數(shù)為13（19583-3917=15666>213），由于I與T1成反比，所以在I=20 mA時有效分辨率最低，但優(yōu)于11位分辨率，因?yàn)椋?8333/（20-20/211s>1s所以系統(tǒng)總體分辨率優(yōu)于11位AD轉(zhuǎn)換器性能。更一般地，設(shè)系統(tǒng)的總體分辨率為n，n有下面的求法：K/（20-20/2n）-K/20>1 (3)所以，n=log-log (4)式中K= C1VCC/3。 由式（3）（4）知，增大

7、C1和VCC，可以使系統(tǒng)的總體分辨率提高。VCC的選取受電路所在的系統(tǒng)和555集成電路的供電電壓限制。顯然電容C1越大則分辨率越高，但電容C1過大，會引起瞬時放電電流過大，燒壞555芯片。需要指出，由于電容增大引起漏電流的增加，會給系統(tǒng)帶來誤差，誤差一般不會超過系統(tǒng)的精度。盡管如此，在可能條件下應(yīng)盡量選取低漏電流和低溫漂系數(shù)的電容。電容增大后會影響系統(tǒng)的另外一個性能，即響應(yīng)時間增大，因此在實(shí)際的系統(tǒng)中，應(yīng)該綜合考慮各個方面選取合適的電容。上面的討論是基于工業(yè)上的標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)4-20mA的測量進(jìn)行的討論，得到電容C1的取值趨向。對電流輸出型傳感器電流的測量也適用上面的討論。一般地，當(dāng)電流在mA級時

8、，電容C1的數(shù)值可以在1F-100F間選??；當(dāng)電流在F間選取，但電容值也不能過小，否則會由于放電時間太短（<1s）使單片機(jī)不能區(qū)分高低電平，造成測量失效。電流/脈寬轉(zhuǎn)換在一定條件下也可以認(rèn)為是電流/頻率轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)橄到y(tǒng)充放電頻率f=，當(dāng)T2<< T1時，f= 3I /C1VCC，則I和f之間為線性關(guān)系。這里對系統(tǒng)放電時間T2略做討論。由（2）式知 T2=0.693 R內(nèi)C1，當(dāng)C1較大時，T2在數(shù)百微妙（實(shí)驗(yàn)中，在上面的電路參數(shù)條件下測得T2=600s）， 這個時間為充電時間T1的幾十分之一，不能忽略。但當(dāng)電流在A級，C1較小時，T2為T1的幾千分之一，這時T2可以忽略，系

9、統(tǒng)頻率f與I成線性關(guān)系。應(yīng)該說明的是，應(yīng)用電流/頻率轉(zhuǎn)換，通過測量頻率來測量電流，系統(tǒng)存在非線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體系統(tǒng)，非線性誤差可通過改變電路參數(shù)限制在一定的范圍。四、應(yīng)用設(shè)計本文設(shè)計的電流/脈寬轉(zhuǎn)換電路具有廣泛的用途，下面介紹用該電路設(shè)計的一個測溫系統(tǒng)，并給出它與8051單片機(jī)的接口方法和測量脈寬的程序。該測溫系統(tǒng)采用集成溫度傳感器AD590。AD590是電流輸出型溫度傳感器，以電流輸出量作為溫度指示，其電流溫度靈敏度為1ºC，當(dāng)其在常溫區(qū)范圍內(nèi)校正后，測量精度可達(dá)±ºC。在全溫區(qū)范圍內(nèi)(-50-150ºC)使用，精度也可高達(dá)1º

10、C。0ºA ，溫度每增加±1ºC，其流過的電流增加±1A，即AD590所處溫度x時，流過它的電流為： I273.2+x A （5）因此可以通過本文設(shè)計的電路測量脈寬來求得I，進(jìn)而求得溫度x。圖3為設(shè)計的測溫系統(tǒng)電路圖。在該電路中I=K/ T1，所以：x= K/ T1-273.2 ºC （6）T1是通過單片機(jī)來測量的，555集成電路的輸出管腳3連接到單片機(jī)的腳，實(shí)現(xiàn)了對脈寬T1的測量。其原理是利用單片機(jī)的腳作為定時器/計數(shù)器T0或T1的控制端：當(dāng)TR0或TR1置1和GATE也置為1時，只有腳為高電平，相應(yīng)的定時器/計數(shù)器T0或T1才被選通工作，對

11、內(nèi)部或外部時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)。因此，當(dāng)把555集成電路的輸出管腳3和8051單片機(jī)的腳相連后，當(dāng)管腳3輸出為高電平時，定時器/計數(shù)器T0或T1對這段時間進(jìn)行記數(shù)，從而求得T1。不難發(fā)現(xiàn)，該電路與單片機(jī)的接口簡單，占用單片機(jī)硬件資源少且抗干擾性能好。下面為8051單片機(jī)測量脈寬的程序。入口：引腳輸入的高電平。出口：脈寬測量值T1的低、高位字節(jié)分別放在30H和31H。程序清單如下： PWL EQU 30H ; 脈寬測量值低位 PWH EQU 31H ; 脈寬測量值高位ORG 0003H; 外部中斷LJMP EX0INTMAIN: MOV A, #00 ; 脈寬測量定時器清零MOV TH0, A MO

12、V TL0, A MOV PWL, AMOV PWH, AMOV TMOD, #00001000B ; 設(shè)置T0工作在16位定時器模式，打開選通門SETB EA ; 開放總中斷SETB IT0 ; 設(shè)置INT0為下降沿觸發(fā)模式JB P3.2 $ ; 等待低電平SETB TR0 ; 啟動定時器T0SETB EX0 ; 允許INT0中斷EX0INT: CLR TR0 ; 關(guān)閉計數(shù)器MOV PWL, TL0 ; 讀取脈寬值MOV PWH, TH0 MOV TL0, #00 MOV TH0，#00 RETI ; 返回當(dāng)用該程序測得T1后，根據(jù)式（6）就可以求得溫度x。由于AD590輸出的電流在A級，根據(jù)前面的分析C1F。應(yīng)該說明一點(diǎn)，雖然根據(jù)K= C1VCC/3可得K的理論值，但因C1和VCC測量精度的影響，實(shí)際中可通過兩點(diǎn)定標(biāo)的方法求得K。該系統(tǒng)的分辨率，響應(yīng)時間等性能的計算同前面的分析，這里不再贅述。I P3.2（INT0）AD590 8 47 2 555 36 1 5C1