CN104135373B - 矿用传感器信号分离器 - Google Patents

Abstract

一种矿用传感器信号分离器，其特征在于包括频率输入电路、第一电压跟随电路、频压转化电路、第二电压跟随电路、减法电路、V‑I电路、第一频率输出电路、第二频率输出电路；频率输入电路的信号输出端连接第一电压跟随电路的信号输入端，第一电压跟随电路的信号输出端连接第一频率输出电路的信号输入端、第二频率输出电路的信号输入端、频压转化电路的信号输入端，频压转化电路的信号输出端连接第二电压跟随电路的信号输入端，第二电压跟随电路的信号输出端连接减法电路的信号输入端，减法电路的信号输出端连接V‑I电路的信号输入端；本发明可以实现采用不同信号输出制式的矿用设备之间的兼容性，以及信号的多路上传。

Description

矿用传感器信号分离器

技术领域

本发明涉及信号传输装置，特别是涉及一种传感器信号处理装置。

背景技术

目前，矿用传感器的信号输出制式已有相应行标规范，大致分为电流型信号，频率型信号，数字型信号。一般生产厂家会选择其中一种作为设备产品的输入或输出信号的制式，由此产生不同厂家生产出的设备，并不能完全相互兼容的问题。此外在信号的产生与识别上，厂家并没有统一的规范，即使用同一种信号制式，仍会有接收不到信号的情况发生，这就需要对输出的信号进行处理。频率型信号，是大多数矿用传感器输出信号采用的制式，产生容易，识别简单，多路上传信号时对附加电路要求低，或者不用附加电路，也是目前煤矿模拟量传输中使用最多的信号制式。

对频率型信号的传输与转换，实现不同矿用设备采用不同信号输入输出制式时相互之间的通信，以及实现信号的多路上传，是目前煤矿传感器亟待解决的新问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿用传感器信号分离器用于解决上述技术问题。

本发明矿用传感器信号分离器，包括频率输入电路、第一电压跟随电路、频压转化电路、第二电压跟随电路、减法电路、V-I电路、第一频率输出电路、第二频率输出电路；

频率输入电路的信号输出端连接第一电压跟随电路的信号输入端，第一电压跟随电路的信号输出端连接第一频率输出电路的信号输入端、第二频率输出电路的信号输入端、频压转化电路的信号输入端，频压转化电路的信号输出端连接第二电压跟随电路的信号输入端，第二电压跟随电路的信号输出端连接减法电路的信号输入端，减法电路的信号输出端连接V-I电路的信号输入端；

频率输入电路用于将输入的频率信号进行反向放大，将频率信号的幅值提高；

第一电压跟随电路用于减小频率信号的输出电阻，提高驱动能力，保证与后续多路频率信号的接收电路的对接；

频压转化电路用于将接收的频率信号转化成电压信号；

第二电压跟随电路用于减小电压信号的输出电阻；

减法电路用于将第二电压跟随电路输出的电压处理成适于V-I电路处理的的电压值；

V-I电路用于将接收的电压信号转化成电流信号，并最终输出；

第一频率输出电路、第二频率输出电路用于放大接收的频率信号，同时减小输出电阻。

所述频率输入电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、第一三极管构成频率输入电路，第一三极管的基极串联电阻R2、电阻R1后接地，第一三极管的发射极接地，第一三极管的集电极经电阻R3接电源VDD。

所述频压转化电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、第一变阻器、频压转化芯片；频压转化芯片第一引脚经电容C2接地，电阻R7并联在电容C2两端，频压转化芯片第二引脚经第一变阻器接地，频压转化芯片第三引脚、第四引脚接地，频压转化芯片第五引脚经电阻R6接电源VDD，频压转化芯片第五引脚经电容C3接地，频压转化芯片第六引脚经电阻R4接电源VDD，频压转化芯片第七引脚经电阻R5接电源VDD，频压转化芯片第八引脚接电源VDD；频压转化芯片第六引脚接电容C1的一端。

所述减法电路包括第一运算放大器、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11，第一运算放大器同相输入端经电阻R9接VDD，第一运算放大器同相输入端经电阻R11接地，第一运算放大器反向输入端、输出端之间接电阻R10；第一运算放大器反向输入端接电阻R8的一端。

所述V-I电路包括第二运算放大器、电阻R12、电阻R13、第二变阻器、第二三极管、第一二极管，第二运算放大器反向输入端接第二三极管的发射极，第二运算放大器输出端串联电阻R12后接第二三极管的基极，第二三极管的集电极接第一二极管的正极，第二三极管的发射极依次串联第二变阻器、电阻R13后接电源VDD。

所述第一频率输出电路包括电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、第三三极管、第四三极管、第二二极管，第三三极管发射极接地，第三三极管集电极串联电阻R15后接电源VDD，第三三极管集电极串联电阻R16后接第四三极管基极，第四三极管发射极接电源VDD，第四三极管集电极串联电阻R17后接第二二极管的正极；第三三极管基极接电阻R14的一端。

所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器可由型号为LM324的四运放集成器件代替。

所述频压转化芯片的型号为LM331。

本发明的矿用传感器信号分离器有效的解决了不同的矿用设备采用不同的信号输入输出制式时相互之间通信的存在的兼容性问题，以及信号的多路上传的技术问题。

下面结合附图对本发明的矿用传感器信号分离器作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的矿用传感器信号分离器的原理框图；

图2为本发明的矿用传感器信号分离器的电路连接图。

具体实施方式

如图1所示，包括频率输入电路、第一电压跟随电路、频压转化电路、第二电压跟随电路、减法电路、V-I电路、第一频率输出电路、第二频率输出电路，频率输入电路的信号输出端连接第一电压跟随电路的信号输入端，第一电压跟随电路的信号输出端分别连接第一频率输出电路的信号输入端、第二频率输出电路的信号输入端、频压转化电路的信号输入端，频压转化电路的信号输出端连接第二电压跟随电路的信号输入端，第二电压跟随电路的信号输出端连接减法电路的信号输入端，减法电路的信号输出端连接V-I电路的信号输入端，V-I电路的信号输出端连接采用电流输入输出制式的矿用设备；

频率输入电路用于将输入的频率信号进行反向放大，将频率信号的幅值提高；

第一电压跟随电路用于减小频率信号的输出电阻，提高驱动能力，保证与后续多路频率信号的接收电路的对接；

频压转化电路用于将接收的频率信号转化成电压信号；

第二电压跟随电路用于减小电压信号的输出电阻；

减法电路用于将第二电压跟随电路输出的电压处理成适于V-I电路处理的的电压值；

V-I电路用于将接收的电压信号转化成电流信号，并最终输出；

第一频率输出电路、第二频率输出电路用于放大接收的频率信号，同时减小输出电阻，实现频率信号的同时多路上传。

如图2所示，本发明矿用传感器信号分离器电路包括电阻R1至电阻R21、电容C1至电容C5、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三级管Q3第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第一运算放大器IC2A、第二运算放大器IC2B、第三运算放大器IC2C、第四运算放大器IC2D、电压转化芯片IC0、压频转换芯片IC1、第一变阻器W1、第二变阻器W2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3；上述元器件之间相互连接形成了电源电路、频率输入电路、第一电压跟随电路、频压转化电路、第二电压跟随电路、减法电路、V-I电路、第一频率输出电路、第二频率输出电路；

电源电路包括电压转化芯片IC0、电容C4、电容C5，电压转化芯片第一引脚1经电容C4接地，电压转化芯片第二引脚2经电容C5接地，电压转化芯片第三引脚3接地，电压转化芯片第一引脚1输入18V电压，电压转化芯片第二引脚2输出9V电压；电压转化芯片IC0用于将18V电压转化成9V电压，电压转化芯片IC0型号为LM78L09，采用该芯片性能可靠、方便、结构简单，且价格便宜；

频率输入电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、第一三极管Q1构成频率输入电路，第一三极管Q1的基极串联电阻R2、电阻R1后接地，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极经电阻R3接电源VDD；频率信号由电阻R1、电阻R2之间的引出端(即频率信号输入端)输入，由第一三极管Q1的集电极(即频率信号输出端)输出；

第一电压跟随电路由第四运算放大器IC2D构成，第四运算放大器反向输入端2与第三引脚3相连接，第四运算放大器同相输入端1即是第一电压跟随电路的输入端，第四运算放大器输出端3即是第一电压跟随电路的输出端；

频压转化电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、第一变阻器W1、频压转化芯片IC1；频压转化芯片第一引脚1经电容C2接地，电阻R7并联在电容C2两端，频压转化芯片第二引脚2经第一变阻器W1接地，频压转化芯片第三引脚3、第四引脚4接地，频压转化芯片第五引脚5经电阻R6接电源VDD，频压转化芯片第五引脚5经电容C3接地，频压转化芯片第六引脚6经电阻R4接电源VDD，频压转化芯片第七引脚7经电阻R5接电源VDD，频压转化芯片第八引脚8接电源VDD；频压转化芯片第六引脚6接电容C1的一端，电容C1的另一端即是频压转化电路的信号输入端，频压转化芯片第一引脚1即是频压转化电路的信号输出端；通过调整第一变阻器W1的大小可以相应的改变频压转化电路的转化范围，频压转化芯片IC1型号为LM331；

第二电压跟随电路由第三运算放大器IC2C构成，第三运算放大器反向输入端2与第三引脚3相连接，第三运算放大器同相输入端1即是第二电压跟随电路的输入端，第三运算放大器输出端3即是第二电压跟随电路的输出端；

减法电路包括第一运算放大器IC2A、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11，第一运算放大器同相输入端1经电阻R9接VDD，第一运算放大器同相输入端1经电阻R11接地，第一运算放大器反向输入端2、第三引脚3之间接电阻R10；第一运算放大器反向输入端2接电阻R8的一端，电阻R8的另一端即是减法电路的信号输入端，第一运算放大器输出端3即是减法电路的信号输出端；

V-I电路包括第二运算放大器IC2B、电阻R12、电阻R13、第二变阻器W2、第二三极管Q2、第一二极管D1，第二运算放大器反向输入端2接第二三极管Q2的发射极，第二运算放大器输出端3串联电阻R12后接第二三极管Q2的基极，第二三极管Q2的集电极接第一二极管D1的正极，第二三极管Q2的发射极依次串联第二变阻器W2、电阻R13后接电源VDD；第二运算放大器同相输入端1即是V-I电路的信号输入端，第一二极管D1的负极即是V-I电路的信号输出端；

第一频率输出电路包括电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第二二极管D2，第三三极管发射极接地，第三三极管集电极串联电阻R15后接电源VDD，第三三极管集电极串联电阻R16后接第四三极管基极，第四三极管发射极接电源VDD，第四三极管集电极串联电阻R17后接第二二极管D2的正极；第三三极管基极接电阻R14的一端，电阻R14的另一端即是第一频率输出电路的信号输入端，第二二极管D2的负极即是第一频率输出电路的信号输出端；

第二频率输出电路包括电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第三二极管D3，第五三极管发射极接地，第五三极管集电极串联电阻R19后接电源VDD，第五三极管集电极串联电阻R20后接第六三极管基极，第六三极管发射极接电源VDD，第六三极管集电极串联电阻R21后接第三二极管D3的正极；第五三极管基极接电阻R18的一端，电阻R18的另一端即是第二频率输出电路的信号输入端，第三二极管D3的负极即是第二频率输出电路的信号输出端。

上述实施例中的第一运算放大器IC2A、第二运算放大器IC2B、第三运算放大器IC2C和第四运算放大器IC2D优选的可以由型号为LM324的四运放集成器件代替，按照图2的连接关系，相应的将LM324的引脚接入电路中即可，使得电路结构更加简单。

实际应用中当频率信号输入本发明矿用传感器信号分离器时，首先频率信号被频率输入电路中的第一三极管Q1反向放大后，再经第一电压跟随器处理减小信号的输出电阻，以便实现频率信号的多路接收，不至于多路接收后将电平拉太低；之后直接将频率信号分为三路处理，其中两路分别转到第一频率输出电路、第二频率输出电路，两路中频率信号分别经第三三极管Q3、第五三极管Q5反相放大后送入对应的第四三极管Q4、第六三极管Q6，减小输出电阻，便于后面频率信号接收设备配接时检测到频率信号，实现同时多路上传；另一路是频率信号转化成电流信号，首先频率信号进入频压转化电路转化成电压信号，之后依次经第二电压跟随电路、减法电路处理后送入V-I电路转化成相应的电流信号输出，电流信号输出在4-20mA之间。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种矿用传感器信号分离器，其特征在于包括频率输入电路、第一电压跟随电路、频压转化电路、第二电压跟随电路、减法电路、V-I电路、第一频率输出电路、第二频率输出电路；

频率输入电路的信号输出端连接第一电压跟随电路的信号输入端，第一电压跟随电路的信号输出端连接第一频率输出电路的信号输入端、第二频率输出电路的信号输入端、频压转化电路的信号输入端，频压转化电路的信号输出端连接第二电压跟随电路的信号输入端，第二电压跟随电路的信号输出端连接减法电路的信号输入端，减法电路的信号输出端连接V-I电路的信号输入端；

频率输入电路用于将输入的频率信号进行反向放大，将频率信号的幅值提高；

第一电压跟随电路用于减小频率信号的输出电阻，提高驱动能力，保证与后续多路频率信号的接收电路的对接；

频压转化电路用于将接收的频率信号转化成电压信号；

第二电压跟随电路用于减小电压信号的输出电阻；

减法电路用于将第二电压跟随电路输出的电压处理成适于V-I电路处理的电压值；

V-I电路用于将接收的电压信号转化成电流信号，并最终输出；

第一频率输出电路、第二频率输出电路用于放大接收的频率信号，同时减小输出电阻。

2.根据权利要求1所述的矿用传感器信号分离器，其特征在于，所述频率输入电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、第一三极管(Q1)构成频率输入电路，第一三极管(Q1)的基极串联电阻R2、电阻R1后接地，第一三极管(Q1)的发射极接地，第一三极管(Q1)的集电极经电阻R3接电源VDD。

3.根据权利要求2所述的矿用传感器信号分离器，其特征在于，所述频压转化电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、第一变阻器(W1)、频压转化芯片(IC1)；频压转化芯片第一引脚(1)经电容C2接地，电阻R7并联在电容C2两端，频压转化芯片第二引脚(2)经第一变阻器(W1)接地，频压转化芯片第三引脚(3)、第四引脚(4)接地，频压转化芯片第五引脚(5)经电阻R6接电源VDD，频压转化芯片第五引脚(5)经电容C3接地，频压转化芯片第六引脚(6)经电阻R4接电源VDD，频压转化芯片第七引脚(7)经电阻R5接电源VDD，频压转化芯片第八引脚(8)接电源VDD；频压转化芯片第六引脚(6)接电容C1的一端。

4.根据权利要求3所述的矿用传感器信号分离器，其特征在于，所述减法电路包括第一运算放大器(IC2A)、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11，第一运算放大器同相输入端(1)经电阻R9接VDD，第一运算放大器同相输入端(1)经电阻R11接地，第一运算放大器反向输入端(2)、输出端(3)之间接电阻R10；第一运算放大器反向输入端(2)接电阻R8的一端。

5.根据权利要求4所述的矿用传感器信号分离器，其特征在于，所述V-I电路包括第二运算放大器(IC2B)、电阻R12、电阻R13、第二变阻器(W2)、第二三极管(Q2)、第一二极管(D1)，第二运算放大器反向输入端(2)接第二三极管(Q2)的发射极，第二运算放大器输出端(3)串联电阻R12后接第二三极管(Q2)的基极，第二三极管(Q2)的集电极接第一二极管(D1)的正极，第二三极管(Q2)的发射极依次串联第二变阻器(W2)、电阻R13后接电源VDD。

6.根据权利要求5所述的矿用传感器信号分离器，其特征在于，所述第一频率输出电路包括电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)、第二二极管(D2)，第三三极管发射极接地，第三三极管集电极串联电阻R15后接电源VDD，第三三极管集电极串联电阻R16后接第四三极管基极，第四三极管发射极接电源VDD，第四三极管集电极串联电阻R17后接第二二极管(D2)的正极；第三三极管基极接电阻R14的一端。

7.根据权利要求6所述的矿用传感器信号分离器，其特征在于，所述第一运算放大器(IC2A)、第二运算放大器(IC2B)、第三运算放大器(IC2C)和第四运算放大器(IC2D)可由一个型号为LM324的四运放集成器件代替。

8.根据权利要求6所述的矿用传感器信号分离器，其特征在于，所述频压转化芯片(IC1)的型号为LM331。