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1、第11章传感器应用技术11.1信号变换11.2驱动电路分析及外围电路器件选择思考题与习题11.1信号变换实际应用中,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：①利用I-U变换把直流电流（I）变换成直流电压（U）；②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）；③利用i-U变换把交流电流（i）变换成直流电压（U）；④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）；
2、⑤利用C-U变换把电容量（C）变换成直流电压（U）；⑥利用f-U变换把频率（f）变换成直流电压（U）。11.1.1电流-电压（I-U）变换器最简单的电流-电压变换电路如图11.1所示。显然Uo=IiR,因此,Uo与电流Ii成正比。图11.1最简单的电流-电压变换电路图11.2简单电流-电压变换器电路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11.2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,即Uo=-IiR如果运算放大器是理想的,那么它的输入电阻为∞,输出电阻
3、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11.3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。输入电流在0.1～1A范围内,变换精度为±0.5%。根据该电路的结构,只要选R1=R2=RF,R3=R4=R5=R6=Rf,则差动放大倍数为由上式可见,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11.3大电流-电压变换器电路另一种微电流-电压变换器电路如图11
4、.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。第二极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100Ω和9.9kΩ电阻中间。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0.05V电压。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。
5、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11.4微电流-电压变换器电路11.1.2电压-电流（U-I）变换器1.负载浮动的U-I变换器一个简单的U-I变换器电路如图11.5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11.6所示。该电路的输入为0～1V,输出为0
6、～10mA。图11.5负载浮动的U-I变换器电路图11.6一种改进的U-I变换器电路2.负载接地的U-I变换器一种负载接地的U-I变换器电路如图11.7所示。该变换器的工作原理与浮动负载U-I变换器的类似。所不同的是,电流采样电阻R7是浮动的,而负载RL则有一端接地,所以需要两个反馈电阻R3和R4。当R1=R2,R3=R4+R7时,输出电流为图11.7负载接地的U-I变换器电路对于来自传感器的微弱电压信号,实现远距离传输是比较困难的。此时,将电压信号变换为电流信号后再进行长线传输,就可得到满意的效果。图11.8所示就是一个精度较高的电压-电流变换器电路。如图中所示,运算放大器A1、
7、A2以及有关元件一起组成差动放大器,其共模和差模输入阻抗高达109Ω。A1和A2经过选配,可获得很低的温度漂移和很强的共模抑制能力。放大倍数在34～200之间连续可调。图11.8高精度U-I变换器电路运算放大器A3以及周围元件组成一个高精度的压控双向电流源。当Ui=0时,A3的输入也为零,达到平衡,其静态电流在Rb上产生压降,给四只晶体管提供一定的偏置。当A3的输入端出现差动信号时,其正、负电源线上的两个电流就不相等,二者朝相反的
