一种简单实用的频率/电流/电压转换器

　　一、引　言

　　近年来,国际上一些新型流量仪表陆续进入国内市场,如美国液体控制(LC)公司的三转子容积式流量计,日本日东精工(NIT-TO SEIKO)株式会社的旋转式容积流量计、刮板式流量计等。它们的显著特点是:压力损失小,耐腐蚀耐磨损,维护量低,精度高,特别适合于高温高粘度的介质,而且可方便地配上远传脉冲发生器,发出正比于流量的脉冲频率信号。使用时为了与二次模拟仪表配套,常需一台频率/电流/电压转换器。

　　我们剖析了日东精工的频率/电流转换器,它是以555时基电路为主要器件的模拟电路,精度较高,体积小,不足之处是响应时间慢,长达几分钟,而且价格昂贵。根据用户的要求,我们设计了一种适用于中低频段、响应时间快、结构简单成本低而又能满足精度要求的DM-L1型频率/电流/电压转换器。

　　二、电路组成

　　DM-L1型频率/电流/电压转换器由输入整形、单稳态触发、运算放大、有源滤波、电压电流转换等五部分组成,其整机电路如图1所示(稳压电源未画出)。3个输入端与远传脉冲发生器的输出端相连,其中2端提供+12VDC电源,1、3端分别接脉冲信号的高、低电平。输入电路由一个三极管与两个反相器构成。三极管接成射极跟随器的形式,与流量脉冲发生器的OC门输出电路相匹配,同时提高输入电阻而减小输出电阻,两个反相器用作方波整形。

图1　DM-L1型频率/电流/电压转换器电路组成

　　单稳态触发电路由可再触发的单稳态多谐振荡器74LS123与外部定时电阻Rt和电容Cext构成,根据74LS123的功能表,把输入端A接地,则B端接收脉冲高电平触发,输出端Q产生与输入脉冲频率相同、脉宽可调、占空比较小的脉冲序列。该脉冲序列再经运算放大、有源滤波和电压电流转换,经4、5端子输出一个与输入脉冲频率成正比的4～20mA DC电流信号。如果要求转换器输出一个电压信号,则只要在4、5端子之间并上一个250Ω的电阻(±0.1%)即可。图中,Rt为调量程电位器,Rz为调零电位器。

　　三、工作原理

　　该转换器的核心器件是74LS123,当一定频率的输入脉冲U入触发单稳态振荡器B端,就会在Q端产生一个与之频率相同但占空比减少的输出脉冲U出,其波形如图2所示。显然U出的占空比取决于脉冲的宽度与周期(频率),其中脉冲周期(频率)即为检测量,脉冲宽度TW=0.45RtCext,这里Rt决定了转换器输入脉冲频率的量程范围。

　　当输入量程(即Rt)一定时,不同频率的输入脉冲经单稳态触发电路会调制成脉宽相同、占空比不同(与频率成正比)的输出脉冲。图2给出了同一量程下不同频率的输入脉冲及其输出波形,其中图2b的输入脉冲频率是图2a的一半,则输出脉冲的占空比也是图2a的一半,因此经过后级放大、滤波平滑,也必定获得一个幅值减半的模拟信号。从而完成由流量计发出的与流量成正比的脉冲频率信号到模拟电流/电压信号的线性转换。