CN115389058B - 一种信号处理电路、压力变送器、压力变送芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力变送技术领域，特别涉及一种信号处理电路、压力变送器、压力变送芯片。该信号处理电路包括零位调整子电路和信号转换子电路。零位调整子电路包括运算放大器U1.4，电阻R7、R8、R9，可变电阻P1以及电容C1、C2、C3和C5。信号转换子电路包括运算放大器U1.1、U1.2、U1.3，可变电阻P2，三极管Q1、Q2，电阻R2、R4、R5、R10，二极管D2、D3，以及磁珠L2。本发明先将差分信号转换成单端高电位电压信号，再将其转换成相对应的电流信号，通过线性变换使得输出的电流信号与输入的差分信号成线性关系；零位子电路与扩散硅传感器连接时，不破坏扩散硅传感器本身的电路平衡。
Description
技术领域
本发明涉及压力变送技术领域，特别是涉及一种信号处理电路、压力变送器、压力变送芯片。
背景技术
压力变送器是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备，压力变送器通常会采用应变电阻作为检测压力的传感器。扩散硅压力传感器是一种利用压阻效应原理工作的应变电阻。扩散硅压力传感器通常采用集成工艺技术制成，其内包含由多个基础电阻构成的惠斯通电桥。扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，传感器的电阻值发生变化。当采用设计的电子线路检测到这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号，即可得到一个压力变送器。
在现有的采用扩散硅压力传感器的压力变送器中，为使传感器的信号稳定，会对惠斯通桥进行调零操作。目前所广泛应用的调零电路是将调整电阻并联在传感器本身的电桥上，如图1所示，这样容易破坏传感器本身的电路平衡，导致最终输出的信号温度系数及精准度变差。此外，传统方式采用精密器件将微弱差分信号转换成单端电流输出信号，因精密器件的单价高、不易获取，进而导致信号转换成本高且难度较大。
发明内容
基于此，有必要针对现有方式信号转换成本高、难度较大的问题，提供一种信号处理电路、压力变送器、压力变送芯片。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种信号处理电路，包括零位调整子电路和信号转换子电路。零位调整子电路包括运算放大器U1.4，三个电阻R7、R8、R9，可变电阻P1以及四个电容C1、C2、C3和C5。信号转换子电路包括3个运算放大器U1.1、U1.2、U1.3，可变电阻P2，两个三极管Q1、Q2，四个电阻R2、R4、R5、R10，二极管D2、D3，以及磁珠L2。
信号处理电路的具体连接方式如下：U1.4的反相输入端与输出端与R9的一端相连，R9的另一端与U1.2的同相输入端相连，U1.4的同相输入端作为信号处理电路的输入端+S，且U1.4的同相输入端与C1的其中一端相连。P1的动片引脚与C5的其中一端相连，P1的其中一定片引脚与R7的其中一端相连。R7的另一端作为信号处理电路的输入端+I，且与C2的其中一端相连。P1的另一定片引脚与R8的其中一端相连，C5和R8的另一端与C1、C2、C3共地，且作为信号处理电路的输入端-I。C3的另一端作为信号处理电路的输入端-S，且与U1.3的同相输入端相连。U1.3的反相输入端和输出端与P2的动片引脚和其中一定片引脚相连，P2的另一定片引脚与R4的其中一端相连。U1.2的输出端与Q2的基极相连，U1.2的反相输入端与Q2的发射极与R4的另一端相连。U1.1的同相输入端与Q2的集电极以及R10的其中一端相连，U1.1的反相输入端与Q1的发射极以及R5的其中一端相连，U1.1的电压输入端作为信号处理电路的其中一电压输入端，接地端接地，U1.1的输出端与Q1的基极相连。Q1的集电极与L2的其中一端相连，L2的另一端作为信号处理电路的电流输出端。R5、R10的另一端以及R2的其中一端与二极管D2的负极相连，D2的正极与D3的负极相连，D3的正极作为信号处理电路的另一电压输入端。
进一步的，信号转换子电路还包括三个电容C6、C7、C8。C6与R2并联。C7的其中一端与D3的正极相连，C7的另一端与R2的另一端接地。C8与R10并联。
进一步的，运算放大器U1.2、U1.3、P2、R4、Q2以及R10构成电流串联型负反馈放大单元，放大后的信号位于R10两端。电流串联型负反馈放大单元的放大倍数A1为：A1=R10/(RP2+R4)，其中，RP2是可变电阻的阻值。该电路单元完成了由差压信号（+Vi~-S）转换为单端高电位信号（VR10）。电阻R10两端电压VR10即为该级对信号放大后的电压。
进一步的，运算放大器U1.1、Q1以及R5构成转换单元，将位于R10两端的电压信号转换为0-10mA OUT电流输出信号IOUT：IOUT=VR10/R5。
进一步的，三极管Q1采用PNP三极管。三极管Q2采用NPN三极管。
本发明还提供一种压力变送器，包括传感器、电源电路和信号变换电路。电源电路用以提供所需的电源。传感器用于在检测过程生成相应的检测信号。信号变换电路用于将检测信号转换为一个对应的电流信号，信号变换电路采用前述的信号处理电路。
进一步的，电源电路包括线性稳压器U2、两个电阻R1、R3，两个磁珠L1、L3，二极管D1以及电容C4。
电源电路的具体连接方式如下：L1和L3的其中一端分别作为电源电路的输入端，L1的另一端与D1的正极相连，L3的另一端与R8接地的一端相连。U2的电压输出引脚与R1、R3的其中一端相连，U2的可调引脚与R3的另一端相连，并作为电源电路的恒流输出端。U2的电压输入引脚与二极管D1的负极相连。R1的另一端接地，C4与R1并联。
进一步的，线性稳压器U2采用三端可调稳压集成电路LM317，与R1、R3和C4构成恒流单元，用以提供一个1.5mA恒流给传感器供电。恒流源输出电流为：I=1.25V/R3，其中，1.25V为U2固有基准电压。
进一步的，传感器包括四个压变电阻组成的惠斯通电桥，惠斯通电桥的四个桥臂作为传感器的四个接线端，分别与信号处理电路的输入端+I、-I、+S和-S相连。
本发明还提供一种压力变送芯片，其由前述的压力变送器的电源电路和信号变换电路封装而成。压力变送芯片的引脚包括：第一引脚通过磁珠L1与二极管D1的正极相连。第二引脚通过磁珠L3与电容C5的一端相连。第三引脚通过磁珠L2与三极管Q2的集电极连接。第四引脚通过电阻R7与可变电阻P1的其中一定片引脚相连。第五引脚与电容C1、C2、C3接地的一端相连。第六引脚与运算放大器U1.4的同相输入端相连。第七引脚通过电容C3与电阻R8的一端相连。
本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
1.本发明设置信号处理电路能够先将传感器的差分信号转换成单端高电位电压信号，以便和下一级进行对接。再将单端高位电压信号转换成相对应的电流信号，通过线性变换使得输出的电流信号与传感器的输入信号形成线性关系，进而提高变送的精准度。此外，将由U1.4、R7、R8、R9、P1构成的调零单元设置在放大器后端的电路上，维持了传感器本身的补偿特性，使得输出的信号精准度更高。为避免输出级工作时进入饱和区而设置两个二极管D2、D3使运算放大器输入端电压始终低于电源1.4V，避开运算放大器的饱和区，使得运算放大器始终工作在工作区。采用廉价通用运放便可完成将微弱差分信号转换为单端电流输出信号的功能，成本低，极大降低获取器件的难度。
2.本发明设置的压力变送器使用通用廉价的四运放完成了由传感器的差分转换成0-10mA标准信号输出的过程，并使得这个电流信号与压力传感器感应到的压力成线性关系。
3.本发明设置的压力变送器通过设置磁珠L1、L2、L3提高压力变送器对外连接时的抗电磁干扰能力；通过设置二极管D1以防止电源线接错而造成电路损坏。
附图说明
图1为现有技术中传统的零位调整电路与传感器的电路连接图；
图2为本发明实施例1的信号处理电路的电路图；
图3为基于图2的零位调整子电路的电路图；
图4为基于图2的信号变换子电路的电路图；
图5为本发明实施例2的压力变送器的电路连接图；
图6为基于图5的电源电路的电路连接图；
图7为基于图5的压力变送器的整体连接图；
图8为基于图5的压力变送器的信号流向图；
图9为本发明实施例3的压力变送芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的信号处理电路解决现有技术中将微弱差分信号转换成单端电流输出信号成本高、难度大的问题。本实施例通过将由U1.4、R7、R8、R9、P1构成的调零单元设置在放大器后端的电路上，维持了传感器本身的补偿特性，使得输出的信号精准度更高。此外，由U1.3、P2、R4、U1.2、Q2、R10构成电流串联型负反馈放大单元，可将传感器差分信号在R10上转换成单端电压信号VR10。通过廉价通用运算放大器降低成本，器件也易于获得，不受供货限制。此外设置二极管D2、D3使运算放大器输入端电压始终低于电源1.4V，避开运算放大器的饱和区，使得运算放大器始终工作在工作区，进而克服饱和失真的问题。
如图2所示，本实施例的信号处理电路包括零位调整子电路和信号转换子电路。
如图3所示，零位调整子电路包括由运算放大器U1.4，三个电阻R7、R8、R9，可变电阻P1构成的调零单元以及四个电容C1、C2、C3和C5。其中，C1、C2、C3和C5起到对压力传感器的微弱信号进行噪声滤波及增加抗干扰能力。维持传感器本身的补偿特性，使得输出的信号精准度更高。同时还可进行大范围迁移。
对于零位调整子电路中各电子元件的数值选取，本实施例提供一种具体方案：C1、C2、C3和C5可以选择0.1μF贴片电容；R7、R8选取510KΩ电阻；R9选取2KΩ电阻。
如图4所示，信号转换子电路包括3个运算放大器U1.1、U1.2、U1.3，可变电阻P2，两个三极管Q1、Q2，四个电阻R2、R4、R5、R10，二极管D2、D3，磁珠L2以及电容C7、C6和C8。U1.3、P2、R4、U1.2、Q2、R10构成的电流串联型负反馈放大单元可以将传感器差分信号在R10上转换成单端电压信号（VR10），然后再由Q1、R5、U1.1巧妙地将R10上的信号转化为与之对应的电流信号输出。电流输出信号IOUT的计算公式为：IOUT=VR10/R5。这种组合完美的达到了由差分电压信号转换成电流信号的线性变换过程，使得输出电流稳定且与传感器的输入信号保持线性关系，提高变送器的精度。更好地保障电流信号能够対地输出，使得输出电路带载能力强。
其中，电流串联型负反馈放大单元的放大倍数A1的计算方法如下：获取电阻R4和可调电阻P2的电阻值；将电阻R4和可调电阻P2的电阻值相加计算得到一个总电阻值；根据电阻R10的电阻值与总电阻值进行比值计算得到所需放大倍数A1。计算公式为：A1=R10/(P2+R4)，其中，RP2是可变电阻的阻值。
对于运算放大器采用廉价通用的运算放大器，只需性能满足单电源电路，工作电源电压不小于24V就可替代使用。而且所有电阻精度满足1%、所有电容满足耐压32V即可。例如LM2902，其为廉价的四路运算放大器，它的单电源范围是3-26V，双电源范围是±1.5V至±13V。当接收到差分信号时，且差分输入电压的最大值与电源电压的最大值相同，为26V。例如LM324，其也是低成本的四路运算放大器，具有差分输入，该四路放大器可接受的工作电压为3-32V。不仅具有短路保护，且内部具有补偿的功能，进而能够抵消因器件随温度环境的变化，工作点、性能会产生漂移的问题。LM2902或LM324是一种14脚封装内部含有4个独立的运算放大器，一片即可满足本电路（U1.1、U1.2、U1.3、U1.4）的要求。也可以采用其他满足使用需求的运算放大器。
二极管D2、D3是为了使运算放大器输入端电压始终低于电源1.4V，这样就避开了运算放大器的饱和区，使得运算放大器始终工作在工作区。D2、D3的型号根据实际需要选取，例如可以选取1N4148二极管，其能够承受100V反向耐压和150mA平均正向电流，并且价格低廉，易于常见，通用性强，代用的型号很多。磁珠L2增加电路对外连接的抗电磁干扰能力。电容起到信号滤波作用。此外，Q1采用PNP三极管，Q2采用NPN三极管。
对于信号转换子电路中各电子元件的数值选取，本实施例提供一种具体方案：C6和C8可以选择0.1μF贴片电容；C7可以选取2.2μF电容。R2选取20KΩ电阻；R4、R5选取100Ω电阻；R10选取1.5KΩ电阻。
信号处理电路的具体连接方式如下：U1.4的反相输入端与输出端与R9的一端相连，R9的另一端与U1.2的同相输入端相连，U1.4的同相输入端作为信号处理电路的输入端+S，且U1.4的同相输入端与C1的其中一端相连。P1的动片引脚与C5的其中一端相连，P1的其中一定片引脚与R7的其中一端相连。R7的另一端作为信号处理电路的输入端+I，且与C2的其中一端相连。P1的另一定片引脚与R8的其中一端相连，C5和R8的另一端与C1、C2、C3共地，且作为信号处理电路的输入端-I。C3的另一端作为信号处理电路的输入端-S，且与U1.3的同相输入端相连。U1.3的反相输入端和输出端与P2的动片引脚和其中一定片引脚相连，P2的另一定片引脚与R4的其中一端相连。U1.2的输出端与Q2的基极相连，U1.2的反相输入端与Q2的发射极与R4的另一端相连。U1.1的同相输入端与Q2的集电极以及R10的其中一端相连，U1.1的反相输入端与Q1的发射极以及R5的其中一端相连，U1.1的电压输入端作为信号处理电力的其中一电压输入端，接地端接地，U1.1的输出端与Q1的基极相连。Q1的集电极与L2的其中一端相连，L2的另一端作为信号处理电路的电流输出端。R5、R10的另一端以及R2的其中一端与二极管D2的负极相连，D2的正极与D3的负极相连，D3的正极与C7的其中一端作为信号处理电路的另一电压输入端。C7的另一端与R2的另一端接地。C6与R2并联。C8与R10并联。
本实施例通过零位调整子电路和信号转换子电路相配合，不仅能够在维持传感器自身电路平衡的同时进行零位调整，解决零位到不了零的问题，同时运用通用廉价的四运放完成了由传感器的差分转换成标准电流信号输出，并使得这个电流信号与压力传感器感应到的压力值成线性关系。
实施例2
如图5所示，本实施例介绍了一种压力变送器，包括传感器、电源电路和信号变换电路。电源电路用以提供所需的电源。传感器用于在检测过程生成相应的检测信号。信号变换电路用于将检测信号转换为一个对应的电流信号。信号变换电路采用实施例1中的信号处理电路。
如图6所示，电源电路包括线性稳压器U2、两个电阻R1、R3，两个磁珠L1、L3，二极管D1以及电容C4。U2与R1、R3和C4构成恒流单元，恒流源输出电流为：I=1.25V/R3（1.25V为U2固有基准电压），供传感器使用。恒流单元通过恒流输出端（+I端）提供1.5mA恒流给传感器，传感器输出差分信号经过信号变化电路，得到输出与传感器检测信号相对应的0~10mA电流信号。D1、L1、L3构成保护抗干扰单元，消除高频电磁的干扰，保护电路。
对于电源电路中电子元件的选取如下：线性稳压器U2采用可调三端正电压LDO稳压器，可以是三端可调稳压集成电路LM317构成。它巧妙运用LM317的特出构造来同时完成恒流源输出1.5mA电流经过R2来为传感器供电，同时输出5V稳压电源运算放大器提供稳定供电。具体型号为LM317LBDR2G可调稳压器。它能够在1.2V至37V输出电压范围内提供大于1.5mA的电流。易于使用且仅需2个外部电阻即可对输出电压进行设置。此外，它还采用了内部电流限制、过热关断和安全区补偿，极大降低被破坏的可能。使其基本不会被损坏。
L1和L3可以采用同样的型号，信号处理电路中的L2可以选择和L1和L3一致，优选MMZ1608Q601，MMZ1608Q601的工作温度可以在-20-90℃之间，能够消除高频电磁的干扰。用磁珠L1、L2、L3的直流阻抗为零，对高频具有一定的感抗。二极管D1起到防止电源线接错而造成电路损坏的作用。
电容和电阻的数值选取如下：C4选取2.2μF电容；R1选取5.1KΩ电阻，，R3选取820Ω电阻。
电源电路的具体连接方式如下：L1和L3的其中一端分别作为电源电路的输入端，L1的另一端与D1的正极相连，L3的另一端与R8接地的一端相连；U2的电压输出引脚与R1、R3的其中一端相连，U2的可调引脚与R3的另一端相连，并作为电源电路的恒流输出端；U2的电压输入引脚与二极管D1的负极相连；R1的另一端接地，C4与R1并联。
传感器包括四个压变电阻组成的惠斯通电桥，惠斯通电桥的四个桥臂作为传感器的四个接线端，分别与信号处理电路的输入端+I、-I、+S和-S相连，传感器通过电阻的变化来对应感应的压力变化，进而传输差分信号给信号处理电路。
如图8所示，电源电路给传感器提供1.5mA的恒流源，结合图7，信号处理电路采集传感器传递的差分信号（检测信号），先将差分信号转换成单端电压信号，随后在转化为对应的电流信号输出，该电流信号为一个标准的0~10mA电流信号
本实施例实现了使用通用廉价的四运放完美的完成了由传感器的差分转换成0~10mA标准信号输出，并使得这个电流信号与压力传感器感应到的压力成线性关系。
实施例3
如图9所示，本实施例介绍了一种压力变送芯片，压力变送芯片由实施例2中的电源电路和信号变换电路封装而成。压力变送芯片的引脚如下：第一引脚通过磁珠L1与二极管D1的正极相连。第二引脚通过磁珠L3与电容C5的一端相连。第三引脚通过磁珠L2与三极管Q2的集电极连接。第四引脚通过电阻R7与可变电阻P1的其中一定片引脚相连。第五引脚与电容C1、C2、C3接地的一端相连。第六引脚与运算放大器U1.4的同相输入端相连。第七引脚通过电容C3与电阻R8的一端相连。
电源电路和信号变换电路封装成芯片的样子，实际使用时只需连接传感器和芯片，便于在市场上推广以及本领域技术人员的快速使用，只需对着产品说明书，进行线路连接即可。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种信号处理电路，其用于采集一个传感器的检测信号，并根据所述传感器的检测信号生成一个与检测量对应的电流信号，其特征在于，所述信号处理电路包括零位调整子电路和信号转换子电路；所述零位调整子电路包括运算放大器U1.4，三个电阻R7、R8、R9，可变电阻P1以及四个电容C1、C2、C3和C5；所述信号转换子电路包括3个运算放大器U1.1、U1.2、U1.3，可变电阻P2，两个三极管Q1、Q2，四个电阻R2、R4、R5、R10，二极管D2、D3，以及磁珠L2；
其中，U1.4的反相输入端与输出端与R9的一端相连，R9的另一端与U1.2的同相输入端相连，U1.4的同相输入端作为所述信号处理电路的输入端+S，且U1.4的同相输入端与C1的其中一端相连；P1的动片引脚与C5的其中一端相连，P1的其中一定片引脚与R7的其中一端相连；R7的另一端作为所述信号处理电路的输入端+I，且与C2的其中一端相连；P1的另一定片引脚与R8的其中一端相连，C5、R8的另一端与C1、C2、C3共地，且作为所述信号处理电路的输入端-I；C3的另一端作为所述信号处理电路的输入端-S，且与U1.3的同相输入端相连；U1.3的反相输入端和输出端与P2的动片引脚和其中一定片引脚相连，P2的另一定片引脚与R4的其中一端相连；U1.2的输出端与Q2的基极相连，U1.2的反相输入端与Q2的发射极与R4的另一端相连；U1.1的同相输入端与Q2的集电极以及R10的其中一端相连，U1.1的反相输入端与Q1的发射极以及R5的其中一端相连，U1.1的电压输入端作为所述信号处理电路的其中一电压输入端，接地端接地，U1.1的输出端与Q1的基极相连；Q1的集电极与L2的其中一端相连，L2的另一端作为所述信号处理电路的电流输出端；R5、R10的另一端以及R2的其中一端与二极管D2的负极相连，D2的正极与D3的负极相连，D3的正极作为所述信号处理电路的另一电压输入端。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号转换子电路还包括三个电容C6、C7、C8；C6与R2并联；C7的其中一端与D3的正极相连，C7的另一端与R2的另一端接地；C8与R10并联。
3.根据权利要求1所述的信号处理电路，所述运算放大器U1.2、U1.3、P2、R4、Q2以及R10构成电流串联型负反馈放大单元；所述电流串联型负反馈放大单元的放大倍数A1：A1=R10/(RP2+R4)，其中，RP2是可变电阻的阻值。
4.根据权利要求1所述的信号处理电路，所述运算放大器U1.1、Q1以及R5构成转换单元，所述转换单元的输出电流IOUT：IOUT=VR10 /R5，其中，VR10是电阻R10两端的电压值。
5.根据权利要求1所述的信号处理电路，所述三极管Q1采用PNP三极管；所述三极管Q2采用NPN三极管。
6.一种压力变送器，其包括传感器、电源电路和信号变换电路；电源电路用以提供所需的电源；所述传感器用于在检测过程生成相应的检测信号；所述信号变换电路用于将所述检测信号转换为一个对应的电流信号；其特征在于：
所述信号变换电路采用如权利要求1-5中任意一项所述的信号处理电路。
7.根据权利要求6所述的压力变送器，其特征在于，所述电源电路包括线性稳压器U2、两个电阻R1、R3，两个磁珠L1、L3，二极管D1以及电容C4；
其中，L1和L3的其中一端分别作为电源电路的输入端，L1的另一端与D1的正极相连，L3的另一端与R8接地的一端相连；U2的电压输出引脚与R1、R3的其中一端相连，U2的可调引脚与R3的另一端相连，并作为电源电路的恒流输出端；U2的电压输入引脚与二极管D1的负极相连；R1的另一端接地，C4与R1并联。
8.根据权利要求7所述的压力变送器，其特征在于，所述线性稳压器U2采用三端可调稳压集成电路LM317，与R1、R3和C4构成恒流单元，用以提供一个1.5mA恒流给传感器供电。
9.根据权利要求6所述的压力变送器，其特征在于，所述传感器包括四个压变电阻组成的惠斯通电桥，所述惠斯通电桥的四个桥臂作为所述传感器的四个接线端，分别与所述信号处理电路的输入端+I、-I、+S和-S相连。
10.一种压力变送芯片，其特征在于，其由如权利要求6-9中任意一项所述的压力变送器的电源电路和信号变换电路封装而成；所述压力变送芯片的引脚包括：
第一引脚，其通过磁珠L1与二极管D1的正极相连；
第二引脚，其通过磁珠L3与电容C5的一端相连；
第三引脚，其通过磁珠L2与三极管Q2的集电极连接；
第四引脚，其通过电阻R7与可变电阻P1的其中一定片引脚相连；
第五引脚，其与电容C1、C2、C3接地的一端相连；
第六引脚，其与运算放大器U1.4的同相输入端相连；
第七引脚，其通过电容C3与电阻R8的一端相连。
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