交流信號轉直流信號電路設計

　　摘要：為了解決傳感器交流輸出與儀器儀表直流輸入之間信號不匹配問題，根據二極管的單向導電性和運算放大器的深度負反饋原理，設計了精密全波整流電路。經實測證明，當交流信號有效值在一定范圍內變化時，該電路可以實現交流信號到直流信號的精確轉換。

　　引言

　　工業測量和控制系統中，傳感器輸出信號為多種形式的模擬量，其多數不能被直接使用，而需要經過變送電路將其轉換成統一的直流模擬信號(1~5V或4~20mA)，再根據系統需要，用數據采集卡將直流模擬信號轉換成可參與計算和完成過程控制的數字量。目前市場上的儀器儀表多以直流輸入信號為主，而交流信號是傳感器輸出信號中較為多見的一種，為此需要設計一個交直流信號變送模塊，將多種交流信號轉換成統一的直流信號量，以便于能夠被控制儀表、計算機或PLC等系統中的控制單元所識別。

　　變送模塊整體結構

　　該模塊共由五個主要部分組成：輸入緩沖電路，全波精密整流電路，光電隔離電路，線性輸出電路和隔離電源。結構框圖如圖1所示。

　　輸入緩沖電路

　　傳感器的交流輸出多為電壓信號。為了降低信號源的負載，通常需要提高下一級的信號輸入阻抗，采用以運放為核心的電壓跟隨器作為模塊的輸入級是有效的解決方式。由于傳感器產生的交流信號頻率范圍比較寬，選擇運算放大器時得考慮選擇寬頻，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合這方面要求，它具有1012Ω輸入阻抗，小信號輸入帶寬可達到4MHz^[5]。

　　全波精密整流電路

　　該部分為全波精密整流電路，是整個模塊的核心部分。其輸出電壓為變送模塊輸入電壓的絕對值，因此也叫絕對值電路^[1]。二極管具有單向導電性，是常用的整流元件，但二極管非線性比較大且有一個正向導通電壓，當信號幅度小于二極管的導通電壓時，二極管處于截止狀態，使得整流出來的信號誤差非常大，為了提高精度，可利用運算放大器的放大作用和深度負反饋來克服二極管非線性和正向導通壓降造成的誤差。

　　全波精密整流電路分為兩部分，第一部分由運放U1A及周邊器件構成半波精密整流電路，第二部分由U1B及周邊器件構成反相求和電路。詳見圖2。

　　半波精密整流電路

　　該部分電路工作分兩種情況：交流輸入信號U_i>0與U_i<0。