CN103090968B - 二线制光照强度变送器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二线制光照强度变送器电路，包括稳压电路、光照强度转换电路、电压转换电路和电流转换电路。通过硅光电池将光照强度转换为电压值，再经过电压转换电路和电流转换电路的运算得到所需电流值，变送精度高，线性度好。

Description

二线制光照强度变送器电路

技术领域

本发明涉及变送器领域，更具体的说是涉及一种二线制光照强度变送器电路。

背景技术

变送器是一种将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。按照物理测量信号的不同，变送器可分为温度/湿度变送器、压力变送器、液位变送器、电流变送器、流量变送器等，其中，由于电流信号抗干扰能力强，所以电流变送器被广泛应用。

目前，物理测量信号为温度或湿度的变送器较为常见，而物理测量信号为光照强度的变送器相对较少，而且二线制温度变送器的原理仅适用于温度，并不适用于光照强度。综上，针对光照强度的二线制变送器电路较少，且变送器的精度低，性能也不稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种二线制光照强度变送器电路，能够实现对光照强度的变送且精度高、性能稳定。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种二线制光照强度变送器电路，包括：稳压电路、光照强度转换电路、电压转换电路和电流转换电路；

所述稳压电路与外接电源相连，为所述光照强度转换电路和所述电压转换电路提供稳定电压；

所述光照强度转换电路将光照强度转化为电流，并运算得出与所述光照强度成正比的第一输出电压；

所述电压转换电路与所述光照强度转换电路相连，将所述第一输出电压转换成第二输出电压；

所述电流转换电路与所述电压转换电路相连，将所述第二输出电压转换成电流值。

优选的，所述光照强度转换电路包括：硅光电池，运算放大器UC1、UC2和电阻R1、R2、R3，所述运算放大器UC1的同相输入端与所述硅光电池的正极相连并且接地，所述运算放大器UC1的反相输入端分别与所述硅光电池的负极和所述电阻R1的第一端相连，所述运算放大器UC1的输出端分别与所述运算放大器UC2的同相输入端和所述电阻R1的第二端相连，所述运算放大器UC2的反相输入端分别与电阻R2的第一端和电阻R3的第一端相连，所述电阻R2的第二端接地，所述运算放大器UC2的输出端与所述电阻R3的第二端相连，并将所述运算放大器UC2的输出端与所述电阻R3的第二端的节点作为所述光照强度转换电路的第一电压输出端。

优选的，所述电压转换电路包括：运算放大器UC3、UC4，电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13和可调电阻W1，所述运算放大器UC3的同相输入端分别与所述电阻R4的第一端和所述电阻R6的第一端相连，所述电阻R4的第二端与所述第一电压输出端相连，所述运算放大器UC3的反相输入端分别与电阻R5的第一端和电阻R7的第一端相连，所述运算放大器UC3的输出端分别与所述电阻R7的第二端和所述电阻R9的第一端相连，所述运算放大器UC4的同相输入端分别与所述电阻R9的第二端、所述电阻R10的第一端和所述电阻R11的第一端相连，所述电阻R10的第二端接可调电位器W1的可滑动端，所述可调电位器W1的第一端与电阻R8的第一端相连，所述运算放大器UC4的反相输入端分别与所述电阻R12的第一端和所述电阻R13的第一端相连，所述电阻R5、R6、R11、R12的第二端和所述可调电位器W1的第二端均接地、所述电阻R13的第二端与所述运算放大器UC4的输出端相连，并将所述运算放大器UC4的输出端与所述电阻R13的第二端的节点作为所述电压转换电路的第二电压输出端。

优选的，所述电流转换电路包括：运算放大器UD1，三极管Q1，电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19，所述运算放大器UD1的同相输入端分别与所述电阻R14的第一端和所述电阻R15的第一端相连，所述电阻R15的第二端与所述电阻R19的第一端相连，所述电阻R14的第二端与所述第二电压输出端相连，所述运算放大器UD1的反相输入端与所述电阻R16的第一端相连，所述运算放大器UD1的输出端与所述电阻R17的第一端相连，所述电阻R17的第二端与所述三极管Q1的基极相连，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R18的第一端相连，所述三极管Q1的集电极接所述外接电源的正极，所述电阻R16、R18、R19的第二端接地，所述电阻R19的第一端接外接电源的负极。

优选的，所述稳压电路包括运算放大器UD2，电流源D3，稳压二极管D1，二极管D2，电阻R20、R21、R22、R23，所述运算放大器UD2的正相输入端分别与所述二极管D2的阴极、所述稳压二极管D1的阴极和所述电阻R22的第一端相连，所述二极管D2的阳极分别与所述电阻R23的第一端和所述电流源D3的负端相连，所述电流源D3的参考电压端分别与所述电阻R22的第二端和所述电阻R23的第二端相连，所述运算放大器UD2的反相输入端分别与所述电阻R20的第一端和所述电阻R21的第一端相连，所述电阻R20的第二端与所述运算放大器UD2的输出端相连，所述运算放大器UD2的供电电源正输入端和所述电流源的正端均与外接电源的正极相连。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种二线制光照强度变送器电路，包括外接电源、稳压电路、光照强度转换电路、电压转换电路和电流转换电路。通过硅光电池将光照强度转换为电压值，再经过电压转换电路和电流转换电路的运算得到所需电流值，变送精度高，线性度好，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种二线制光照强度变送器电路的连接关系图；

图2为本发明实施例提供的光照强度转换电路的电路原理图；

图3为本发明实施例提供的电压转换电路的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的电流转换电路的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的稳压电路的电路原理图。

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。

实施例一

一种二线制光照强度变送器电路，包括：稳压电路、光照强度转换电路、电压转换电路和电流转换电路；

所述稳压电路与外接电源相连，为所述光照强度转换电路和所述电压转换电路提供稳定电压；

所述光照强度转换电路将光照强度转化为电流，并运算得出与所述光照强度成正比的第一输出电压；

所述电压转换电路与所述光照强度转换电路相连，将所述第一输出电压转换成用于所述电流转换电路工作的第二输出电压；

所述电流转换电路与所述电压转换电路相连，将所述第二输出电压转换成电流值。

通过硅光电池将光照强度转换为电压值，再经过电压转换电路和电流转换电路的运算得到所需电流值，变送精度高，线性度好，成本低。

图2示出了一种具体的光照强度转换电路，包括：硅光电池，运算放大器UC1、UC2和电阻R1、R2、R3，所述运算放大器UC1的同相输入端与所述硅光电池的正极相连并且接地，所述运算放大器UC1的反相输入端分别与所述硅光电池的负极和所述电阻R1的第一端相连，所述运算放大器UC1的输出端分别与所述运算放大器UC2的同相输入端和所述电阻R1的第二端相连，所述运算放大器UC2的反相输入端分别与电阻R2的第一端和电阻R3的第一端相连，所述电阻R2的第二端接地，所述运算放大器UC2的输出端与所述电阻R3的第二端相连，并将所述运算放大器UC2的输出端与所述电阻R3的第二端的节点作为所述光照强度转换电路的第一电压输出端。

其中，硅光电池将光照强度转化为电流，由于运算放大器UC1中同相输入端与反相输入端是虚断，所以硅光电池产生的电流主要流经反馈电阻R1，这样就在运算放大器UC1输出端形成输出电压，且该输出电压经过运算放大器UC2后放大输出，将该放大输出的电压称为电压V1，所述电压V1与光照强度成正比。通过调整电阻R1、R2、R3阻值可以将所述电压V1的值调整为0-5V。

下面是所述光照强度转换电路中公式的详细推导：

由运放的虚短虚断可知，V0＝I·R1

从而I为硅光电池产生的电流，V1为输出电压，通过调整R1、R2、R3的阻值，可以得到标准的输出电压0-5V。

图3为一种具体的电压转换电路，包括：运算放大器UC3、UC4，电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13和可调电阻W1，具体连接方式为：所述运算放大器UC3的同相输入端分别与所述电阻R4的第一端和所述电阻R6的第一端相连，所述电阻R4的第二端与所述第一电压输出端相连，所述运算放大器UC3的反相输入端分别与电阻R5的第一端和电阻R7的第一端相连，所述运算放大器UC3的输出端分别与所述电阻R7的第二端和所述电阻R9的第一端相连，所述运算放大器UC4的同相输入端分别与所述电阻R9的第二端、所述电阻R10的第一端和所述电阻R11的第一端相连，所述电阻R10的第二端接可调电位器W1的可滑动端，所述可调电位器W1的第一端与电阻R8的第一端相连，所述运算放大器UC4的反相输入端分别与所述电阻R12的第一端和所述电阻R13的第一端相连，所述电阻R5、R6、R11、R12的第二端和所述可调电位器W1的第二端均接地、所述电阻R13的第二端与所述运算放大器UC4的输出端相连，并将所述运算放大器UC4的输出端与所述电阻R13的第二端的节点作为所述电压转换电路的第二电压输出端。

上述光照强度转换电路得到标准的0-5V输出电压即所述电压V1，所述电压V1通过运算放大器UC3以及电阻R4、R5、R6、R7构成的同相比例放大电路后，可以得到0-1.6V电压，即图3中的电压Vout1，所述电压Vout1通过由电阻R8、R9、R10以及可调电位器W1组成的分压电路，通过调节所述可调电位器W1得到电压Vout，所述电压Vout与所述电压Vout1通过由运算放大器UC4及电阻R9、R10、R11、R12、R13构成的同相加法电路后，可以在运算放大器UC4输出端得到0.4-2V的电压Vout2。

下面是所述电压转换电路中公式的详细推导：

由虚短虚断可知， $\frac{R6}{R6+R4}\·V1=\frac{R5}{R5+R7}\·\mathrm{Vout}1$

从而选择合适的R5、R6、R7阻值，可以使得Vout1为0-1.6V。

由同相求和运算电路可知，当R9∥R10∥R11＝R12∥R13时，

Vref为可调电位器滑动端得到的分压值

选择合适的R8、R9、R10、R11、R12、R13阻值以及调节可调电位器，可得Vout2＝0.4～2V

图4为一种具体的电流转换电路，包括：运算放大器UD1，三极管Q1，电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19，具体连接关系为：所述运算放大器UD1的同相输入端分别与所述电阻R14的第一端和所述电阻R15的第一端相连，所述电阻R15的第二端与所述电阻R19的第一端相连，所述电阻R14的第二端与所述第二电压输出端相连，所述运算放大器UD1的反相输入端与所述电阻R16的第一端相连，所述运算放大器UD1的输出端与所述电阻R17的第一端相连，所述电阻R17的第二端与所述三极管Q1的基极相连，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R18的第一端相连，所述三极管Q1的集电极接所述外接电源的正极，所述电阻R16、R18、R19的第二端接地，所述电阻R19的第一端接所述外接电源的负极。

从运算放大器UD1输出端通过电阻R17、三极管Q1、电阻R18、电阻R19以及电阻R15反馈回运算放大器UD1的同相输入端，这构成了负反馈支路。由于运放虚短虚断的特点可以知道，当电阻R14与电阻R15阻值相等时，电阻R19两端压降正好等于所述电压V1范围转换电路的输出电压0.4-2V，所以如果取R19为100欧姆，然后R15＞＞R19，那么最终电路中总电流就约等于流经电阻R19的电流，即4-20mA。

下面是所述电流转换电路中公式的详细推导：

由虚短虚断可知，如果取R14＝R15，则V_b＝-Vout2

容易看出R15、R19两端电压都等于V_b。因此电路总电流：取R15远大于R19，且取R19＝100，则I＝4～20mA。

由于二线制电路中负载的存在，直接采用外接电源为所述光照强度转换电路以及所述电压V1范围转换电路提供的电压就不稳定。请参阅图5，为一具体的稳压电路，所述稳压电路包括运算放大器UD2，电流源D3，稳压二极管D1，二极管D2，电阻R20、R21、R22、R23，具体的电路连接关系为：所述运算放大器UD2的正相输入端分别与所述二极管D2的阴极、所述稳压二极管D1的阴极和所述电阻R22的第一端相连，所述二极管D2的阳极分别与所述电阻R23的第一端和所述电流源D3的负端相连，所述电流源D3的参考电压端分别与所述电阻R22的第二端和所述电阻R23的第二端相连，所述运算放大器UD2的反相输入端分别与所述电阻R20的第一端和所述电阻R21的第一端相连，所述电阻R20的第二端与所述运算放大器UD2的输出端相连，所述运算放大器UD2的供电电源正输入端和所述电流源的正端均与所述外接电源的正极相连。

电流源用于保证稳压电路的输入电流稳定，从而保证其输出电压稳定。稳压二极管D1将在运算放大器UD2正相输入端产生一个2.5V的基准电压，然后通过由运算放大器UD2、电阻R20、R21构成的放大电路对该基准电压进行放大，从而在运算放大器UD2输出端得到约12V的电压。所述稳压电路产生的电压就是稳定的电压，在用所述稳定电压为所述光照强度转换电路以及所述电压V1范围转换电路供电。

下面是所述稳压电路中公式的详细推导：

对于所述的稳压电路：

Vdd＝2.5V，

由运放虚短虚断可得， $\mathrm{Vdd}=\frac{R21}{R20+R21}\·\mathrm{VDD},$ 从而 $\mathrm{VDD}=\frac{R20+R21}{R21}\·\mathrm{Vdd},$ 选择合适的电阻R20、R21阻值，即可以得到合适的输出电压值。

综上所述：本发明提供了一种二线制光照强度变送器电路，包括外接电源、稳压电路、光照强度转换电路、电压转换电路和电流转换电路。通过硅光电池将光照强度转换为电压值，再经过电压转换电路和电流转换电路的运算得到所需电流值，变送精度高，线性度好，成本低。

对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种二线制光照强度变送器电路，其特征在于，包括：稳压电路、光照强度转换电路、电压转换电路和电流转换电路；

所述稳压电路与外接电源相连，为所述光照强度转换电路和所述电压转换电路提供稳定电压；

所述光照强度转换电路将光照强度转化为电流，并运算得出与所述光照强度成正比的第一输出电压；

所述电压转换电路与所述光照强度转换电路相连，将所述第一输出电压转换成用于所述电流转换电路工作的第二输出电压；

所述电流转换电路与所述电压转换电路相连，将所述第二输出电压转换成电流值。

2.根据权利要求1所述的二线制光照强度变送器电路，其特征在于，所述光照强度转换电路包括：硅光电池，运算放大器UC1、UC2和电阻R1、R2、R3，所述运算放大器UC1的同相输入端与所述硅光电池的正极相连并且接地，所述运算放大器UC1的反相输入端分别与所述硅光电池的负极和所述电阻R1的第一端相连，所述运算放大器UC1的输出端分别与所述运算放大器UC2的同相输入端和所述电阻R1的第二端相连，所述运算放大器UC2的反相输入端分别与电阻R2的第一端和电阻R3的第一端相连，所述电阻R2的第二端接地，所述运算放大器UC2的输出端与所述电阻R3的第二端相连，并将所述运算放大器UC2的输出端与所述电阻R3的第二端的节点作为所述光照强度转换电路的第一电压输出端。

3.根据权利要求2所述的二线制光照强度变送器电路，其特征在于，所述电压转换电路包括：运算放大器UC3、UC4，电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13和可调电阻W1，所述运算放大器UC3的同相输入端分别与所述电阻R4的第一端和所述电阻R6的第一端相连，所述电阻R4的第二端与所述第一电压输出端相连，所述运算放大器UC3的反相输入端分别与电阻R5的第一端和电阻R7的第一端相连，所述运算放大器UC3的输出端分别与所述电阻R7的第二端和所述电阻R9的第一端相连，所述运算放大器UC4的同相输入端分别与所述电阻R9的第二端、所述电阻R10的第一端和所述电阻R11的第一端相连，所述电阻R10的第二端接可调电位器W1的可滑动端，所述可调电位器W1的第一端与电阻R8的第一端相连，所述运算放大器UC4的反相输入端分别与所述电阻R12的第一端和所述电阻R13的第一端相连，所述电阻R5、R6、R11、R12的第二端和所述可调电位器W1的第二端均接地、所述电阻R13的第二端与所述运算放大器UC4的输出端相连，并将所述运算放大器UC4的输出端与所述电阻R13的第二端的节点作为所述电压转换电路的第二电压输出端。

4.根据权利要求3所述的二线制光照强度变送器电路，其特征在于，所述电流转换电路包括：运算放大器UD1，三极管Q1，电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19，所述运算放大器UD1的同相输入端分别与所述电阻R14的第一端和所述电阻R15的第一端相连，所述电阻R15的第二端与所述电阻R19的第一端相连，所述电阻R14的第二端与所述第二电压输出端相连，所述运算放大器UD1的反相输入端与所述电阻R16的第一端相连，所述运算放大器UD1的输出端与所述电阻R17的第一端相连，所述电阻R17的第二端与所述三极管Q1的基极相连，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R18的第一端相连，所述三极管Q1的集电极接所述外接电源的正极，所述电阻R16、R18、R19的第二端接地，所述电阻R19的第一端接外接电源的负极。

5.根据权利要求1所述的二线制光照强度变送器电路，其特征在于，所述稳压电路包括运算放大器UD2，电流源D3，稳压二极管D1，二极管D2，电阻R20、R21、R22、R23，所述运算放大器UD2的正相输入端分别与所述二极管D2的阴极、所述稳压二极管D1的阴极和所述电阻R22的第一端相连，所述二极管D2的阳极分别与所述电阻R23的第一端和所述电流源D3的负端相连，所述电流源D3的参考电压端分别与所述电阻R22的第二端和所述电阻R23的第二端相连，所述运算放大器UD2的反相输入端分别与所述电阻R20的第一端和所述电阻R21的第一端相连，所述电阻R20的第二端与所述运算放大器UD2的输出端相连，所述运算放大器UD2的供电电源正输入端和所述电流源的正端均与外接电源的正极相连。