变送器的设计与实现.docx
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变送器的设计与实现
电子产品设计制作
与故障诊断
学习情境2：
变送器的设计与实现
《电子产品设计制作与故障诊断》课程建设组
2010年2月
第一版
学习情境2：
变送器的设计与实现
2.1学习目标
掌握模拟信号的基本变换方法。
掌握使用集成运算放大器将uA级温度传感器信号转换为0-5V的标准信号的设计思路和电路调试方法。
2.2工作任务
2.2.1工作任务名称
AD592温度传感器信号变送电路的设计与实现。
2.2.2工作任务背景
变送器是将传感器测得的各种工艺信号（温度、压力、流量、液位等）转换成标准信号的设备，广泛应用于各种工业测控系统中。
（1）学员已完成学习情境1的教学内容要求
（2）学员已基本掌握电源电路的设计、电路板制作与调试的基本方法。
（3）学员已掌握万用表及电路板制作相关工具的使用方法。
（4）学员已初步理解基本运算放大电路的原理。
（5）完成本情境学习任务，为学习情境6、7、8做准备。
2.2.3AD592温度变送器技术标准
（1）供电12VDC
（2）变送器输入温度范围：
0-100摄氏度
（3）变送器输出电压范围：
0-5VDC
（4）精度等级：
0.5级
（5）负载阻抗：
>1MΩ
（6）限制条件：
0V≤输出电压≤5V
2.2.4所需设备、工具及材料
（1）稳压电源（型号：
）、万用表、焊台、工具
（2）材料：
温度传感器AD592、电位器、电解电容、稳压管、电阻、二极管、集成运算放大器、面包板等。
2.3任务知识点
2.3.1什么是传感器
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2.3.2传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人类五官的延长。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此传感器是现代化生产的基础。
目前工业上常用的传感器有温度传感器、压力传感器、流量传感器、物位传感器、成分传感器等。
3.2传感器的输出信号类型
以输出信号为标准可将传感器分为：
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号。
准数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出。
开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
2.3.3为何要对传感器输出信号进行调理和转换
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大、缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
2.3.4什么是变送器
变送器的作用：
将各种工艺信号（温度、压力、流量、液位等）转换成标准信号。
例如：
将压力信号转变为标准信号的设备叫做压力变送器；
将温度信号转变为标准信号的设备叫做温度变送器等等。
通常情况下，在工业应用中，变送器是指传感器和信号调理转换电路的总成。
压力变送器
温度变送器温度传感器
信号调理和转换电路的功能可归纳为以下三个主要方面：
（1）滤波
•消除、抑制干扰
（2）变换
•电流→电压
•电抗→电压
•电抗→频率→电压
（3）标准化
•平移使输出信号过0
•放大弱电压转换为0~5V或4~20mA
•整形将频率输出转换为脉冲信号
2.3.5温度传感器有哪些种类
（1）集成温度传感器AD592
•供电：
+4V~+30V
•温度系数：
1uA/K
•0℃输出：
273.2uA
•工作温度：
-25℃~+105℃
•非线性误差：
0.1℃~0.5℃
•重复误差：
±0.1℃
•时飘：
±0.1℃/月
AD592输出量为随温度变化的电流，抗干扰能力强，信号调理电路容易实现。
（2）铂电阻温度传感器PT100
•供电：
无源
•温度系数：
近似0.003851/℃
•0℃输出：
100Ω
•工作温度：
-200℃~+650℃
•响应时间：
2S~30S（与结构有关）
铂金属性能非常稳定，制成的温度传感器重复性和长期稳定性非常好，工作温度范围很宽。
铂电阻的温度—电阻关系是由一多项式确定的近似线性关系，通常通过查分度表获得温度值。
铂电阻的阻值需要用电路变换为电压，电路复杂，为避免自热现象工作电流不能过大。
（3）热电偶温度传感器（T型）
•供电：
无源
•温度系数：
非线性
•0℃输出：
0uV
•工作温度：
-200℃~+400℃
热电偶利用2种金属接点的热电效应进行温度测量，工作温度范围宽，抗冲击，相应速度快。
热电偶灵敏度低（几十uV/℃），易受干扰。
热电偶输出电压与温度变化呈非线性关系，并且测量中需要冷端补偿，信号调理电路构成复杂。
（4）集成数字温度传感器DS1820
•供电：
+3.0V~+5.5V
•输出：
9bit数字量
•测量精度：
0.5℃
•工作温度：
-55℃~+125℃
•一线串行数字接口
•零功率待机
DS1820为单片式数字化的测温传感器，无需信号调理电路，无需外围元件，直接输出温度的数字量值。
（5）温度传感器对比选择
从几种典型的测温传感器特性对比可知：
•热电偶灵敏度低，温度与输出为非线性关系，信号调理电路复杂，适合宽温范围测温。
•铂电阻温度与输出非线性关系，需要电组到电压的转换，电路复杂，适合宽温范围测温。
•DS1820采用一线串行数字控制，操作过程复杂，初学者不易掌握。
•AD592输出电流与温度成线性关系，抗干扰能力强，精度满足设计要求，响应速度快，信号调理电路容易实现。
为教学过程的首选测温传感器。
（6）AD592特性分析
AD592是两端集成温度传感器,外围电路简单。
在常温测量领域中,可取代电热调节器、电阻式温度检测器、热电偶等传统的温度传感器。
电流温度系数为1uA／K，恒流源输出。
问题与思考：
1）AD592是传感器还是变送器？
2）AD592是恒流源输出，想一想恒流源有什么特点？
3）变送器的功能是什么，主要包括哪些部分？
4）AD592是模拟式传感器还是数字是传感器，为什么？
5）为什么说AD592的信号转换电路比热电阻和热电偶温度传感器的要简单？
6）为什么我们要把AD592的信号转换成0-5V的信号？
7）请给出绝对温标和摄氏温标之间的换算关系。
2.3.6AD592温度变送器的实现
本情境的根本任务是制作温度变送器，将AD592传感器的微弱电流信号，通过转换电路输出为0-5V的信号，变送器特性如下图所示：
任务的核心就是设计转换电路，下面将讨论如何设计转换电路。
该电路分为电流/电压转换电路、放大与平移电路、信号调理电路三大部分。
2.3.6.1电流/电压转换电路
⑴电阻取样电路
问题与思考
8）这种转换方法有什么缺点？
⑵运算放大器电流→电压转换电路
问题与思考
9）这种转换方法有什么优点？
这种电路的输入端反馈形式和输出端反馈形式各式什么样的？
2.3.6.2.放大与平移电路设计
1.AD592恒流补偿、运算放大器电流→电压转换电路的平移方案
（1）恒流补偿（平移）后的电流→电压特性
⑵平移、放大后的电流→电压特性
问题与思考
10）这种电路为什么要使用双电源（±V）？
2.AD592恒压补偿、运算放大器电流→电压转换电路的平移方案
⑴恒压补偿（平移）后的电流→电压特性
（2）平移、同相比例放大后的电流→电压特性
问题与思考
11）这种转换方法有什么缺点？
12）电路中的0.273V电压源如何实现？
（3）反相加法电路实现的恒压补偿平移方案
电阻取样、反相放大后的电流→电压特性
经过反相加法电路平移后的电流→电压特性
2.4任务实施
2.4.1确定变送器电路及硬件成本核算
从前面给出的几种方案中选择一种，并按照任务要求设计实际电路。
问题与思考
13）你为什么选择这种方案？
14）说明各个元器件的选型依据及计算方法。
准备元器件时，按照下表对电路所需的元件进行成本核算。
序号
元件名称
参数
数量
单价（元）
合计（元）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
总计：
2.4.2电路仿真
使用WorkBench仿真选定的变送器电路，完成功能验证。
①按照前述“AD592恒流补偿、运算放大器电流→电压转换电路的平移方案”原理图进行仿真，如下图，并计算R1和R2的阻值。
当恒流源I1的电流值分别为273uA,298uA,323uA,348uA,373uA时，运算放大器的输出电压各是多少？
②按照前述“平移、同相比例放大的方案”原理图进行仿真。
当恒流源I1的电流值分别为273uA,298uA,323uA,348uA,373uA时，运算放大器的输出电压各是多少？
2.4.3电路板制作
变送器安装引脚布置
由于变送器做为整个温度测控系统的一个子单元，要配合AD转换环节使用，制作应前将其引脚排列规划好，以便与AD单元互连。
例如：
电路板布局规划原则：
（1）运放应置于中心位置
（2）由于本电路是纯模拟电路，电路各元件距离不应太远，以避免引入干扰。
2.4.4设计要求及注意事项
1.滑动变阻器的使用
电路中电阻的阻值需要调整的可以使用滑动变阻器。
使用中滑动变阻器应串接电阻，使滑动变阻器单位旋转角度的阻值变化尽量小，以保证调整更精确，并减小各种因素对阻值稳定的影响。
2.稳压二极管的使用
为了获得稳定的电压，可以利用稳压二级管的反向击穿特性设计稳压电路。
使用中应注意稳压二极管只有通过一定的电流的情况下，才能获得稳定的电压，应正确计算限流电阻的阻值。
3.电路干扰的抑制
可以在直流放大电路的负反馈电阻上并接电容来降低交流增益抑制噪声。
但是电容不宜太大，否则会延长放大器对于被测信号的响应时间。
4.模拟/数字电源的区分使用
模拟电路与数字电路的电源尽量分开，否则会产生不良耦合，干扰模拟测量电路的正常工作。
5.限幅电路设计注意
限幅电路由限幅二极管和限流电阻组成，用于保护后级电路。
限流电阻不可以没有，也不可以太大，否则会造成信号衰减，影响测量精度。
2.4.5标定原理与标定方法
1.通过标定解决的问题
2.恒流补偿变送器标定原理与标定方法
⑴恒流补偿变送器电路调“零”原理
⑵恒流补偿变送器电路调“满度”原理
3.恒压补偿变送器标定原理与方法
⑴恒压补偿变送器电路调“零”原理
⑵恒压补偿变送器电路调“满度”原理
4.加法平移变送器标定原理
⑴加法平移变送器电路调“零”原理
⑵加法平移变送器电路调“满度”原理
2.4.6常见故障及其现象
故障诊断流程
2.5任务拓展
本次任务其他要求均不变，要求输出为恒流4-20mA输出，电路该如何实现？
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