一种新型电流脉宽转换电路及其应用

1、 一种新型电流/脉宽转换电路及其应用一、引言4-20mA电流环作为一种工业标准信号，具有布线简单，负载能力及抗干扰能力强等优点，已经广泛应用于工业测控、仪器仪表等领域。许多应用场合，都遇到对电流环的测量问题。目前解决此问题通常采用下面图1的方案。图中电流流经标准取样电阻R（通常取值250-750欧）后，转变为电压，再经模/数转换器转换后由单片机读取数据。此外，工业上还有许多电流输出型传感器，其信号输出为与被测量有确定关系的电流量，但不是标准的4-20mA电流环。一般对它的测量方案与电流环的测量方案相同。但该测量方案中存在下列问题：（1）系统精度由模数转换器的精度决定，要想提高精度就需要采用高精

2、度的模数转换器，从而（2）使系统成本增加；（3）模数转换器同后续的数字电路（例如单片机）接口时，占用的数字资源较多；（4）有的模数转换器外围电路比较麻烦。为解决上述测量方案中存在的问题，本文介绍了一种电流/脉宽转换电路，通过测量脉宽可以测量电流信号。本电路具有测量范围广，精度高，构成简单，调试方便和成本低廉等优点。R 传感器模块 ADC MCU电流环 图1 常用的标准电流环测量方案二、 电流/脉宽转换电路结构和原理 本文设计的电流/脉宽转换电路只用了一块555集成电路实现，电路结构如图2所示。传感器的输出连接到555电路的7、2、6端，555电路的输出端3就可以输出脉冲电压信号。其工作原理如下

3、： 图2中555电路工作在多谐振荡方式下，它的放电端7、阈值端6、触发端2均相连于a点。当电容C1上(a点)的电位低于VCC/3时，即555的2端电位低于VCC/3，其内部的放电管截止，放电端7与其内部电路断开。此时，传感器模块的输出电流I对电容C1充电，这个过程可以看作一个恒定电流对电容充电过程，于是a点电位随着电容C1的充电而线性地上升(充电期T1)，在此期间555电路的输出端3输出高电平。当a点的电位上升到2VCC/3时，555电路内部的放电管导通，放电端7相当于与内部一个小电阻(有些资料报导约10欧)相连并接地。于是a点电位随着电容C1的迅速放电而快速下降(放电期T2)，在此期间555

4、电路的输出端3输出低电平。当a点电位随着电容C1的放电而下降到低于VCC/3时，又将重复前过程，如此周而复始，便形成周期性的脉冲信号输出。由于a点的电位在VCC/32VCC/3之间变化，即电容上的电压幅值在2VCC/3-VCC/3= VCC/3之间变化，因此充电期T1为： T1= C1VCC/3I （1）式中单位：C1为法拉，VCC为伏，I为安培，T1为秒。 电容C1放电时，其电位在2VCC/3VCC/3之间变化，所以放电期T2为： T2=0.693 R内C1 (2)式中，R内为555电路内部放电管导通时的等效电阻。a VCC 输出 I 传感器模块 8 47 2 555 36 1 5C1 C2

5、 0.01VO 图2 电流/脉宽转换电路结构电路中，电流I与充电时间T1有着确定的关系，即电路输出的瞬时高电平脉宽与输入电流成反比。该电路的输出连续地跟踪输入电流，直接响应输入电流的变化，实现了电流/脉宽转换。三、电路参数的选取及讨论图2所示的电路中，充电时间为T1，由（1）式知，如果C1和VCC为定值，则可以通过测量T1求得I值。T1的大小可通过8051单片机进行测量，若单片机的系统时钟采用12MHz晶振，其定时器最小分辨率为1s。由（1）式知I=K/ T1，其中K= C1VCC/3为比例系数。下面是在一组电路参数下对标准电流环的测量结果及分析。假设电路参数：VCC=5V；C1=47F；则K

6、=78333s·mA。T1用普通8051单片机测量，系统晶振为12MHz。当传感器模块的输出电流I=4mA时，T1=19583s；I=20 mA时，T1=3917s。其最大有效位数为13（19583-3917=15666>213），由于I与T1成反比，所以在I=20 mA时有效分辨率最低，但优于11位分辨率，因为：78333/（20-20/211）-78333/20=1.91s>1s所以系统总体分辨率优于11位AD转换器性能。更一般地，设系统的总体分辨率为n，n有下面的求法：K/（20-20/2n）-K/20>1 (3)所以，n=log-log (4)式中K= C1

7、VCC/3。 由式（3）（4）知，增大C1和VCC，可以使系统的总体分辨率提高。VCC的选取受电路所在的系统和555集成电路的供电电压限制。显然电容C1越大则分辨率越高，但电容C1过大，会引起瞬时放电电流过大，烧坏555芯片。需要指出，由于电容增大引起漏电流的增加，会给系统带来误差，误差一般不会超过系统的精度。尽管如此，在可能条件下应尽量选取低漏电流和低温漂系数的电容。电容增大后会影响系统的另外一个性能，即响应时间增大，因此在实际的系统中，应该综合考虑各个方面选取合适的电容。上面的讨论是基于工业上的标准电流环4-20mA的测量进行的讨论，得到电容C1的取值趋向。对电流输出型传感器电流的测量也适

8、用上面的讨论。一般地，当电流在mA级时，电容C1的数值可以在1F-100F间选取；当电流在A级时，电容值过大则会使响应时间过长，所以应选得小一些，可在0.01-0.1F间选取，但电容值也不能过小，否则会由于放电时间太短（<1s）使单片机不能区分高低电平，造成测量失效。电流/脉宽转换在一定条件下也可以认为是电流/频率转换。这是因为系统充放电频率f=，当T2<< T1时，f= 3I /C1VCC，则I和f之间为线性关系。这里对系统放电时间T2略做讨论。由（2）式知 T2=0.693 R内C1，当C1较大时，T2在数百微妙（实验中，在上面的电路参数条件下测得T2=600s）， 这个

9、时间为充电时间T1的几十分之一，不能忽略。但当电流在A级，C1较小时，T2为T1的几千分之一，这时T2可以忽略，系统频率f与I成线性关系。应该说明的是，应用电流/频率转换，通过测量频率来测量电流，系统存在非线性误差，在实际应用中，根据具体系统，非线性误差可通过改变电路参数限制在一定的范围。四、应用设计本文设计的电流/脉宽转换电路具有广泛的用途，下面介绍用该电路设计的一个测温系统，并给出它与8051单片机的接口方法和测量脉宽的程序。该测温系统采用集成温度传感器AD590。AD590是电流输出型温度传感器，以电流输出量作为温度指示，其电流温度灵敏度为1A/K。由于它的输出电流精确地正比于绝对温度，

10、故可以作为精确测温元件。AD590只需要一个电源(+4V+30V)，即可实现温度到电流源的转换。AD590的校准精度可达0.5ºC，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达±0.1ºC。在全温区范围内(-50-150ºC)使用，精度也可高达1ºC。0ºC时流过AD590的电流为273.2A ，温度每增加±1ºC，其流过的电流增加±1A，即AD590所处温度x时，流过它的电流为： I273.2+x A （5）因此可以通过本文设计的电路测量脉宽来求得I，进而求得温度x。图3为设计的测温系统电路图。在该电路中I=

11、K/ T1，所以：x= K/ T1-273.2 ºC （6）T1是通过单片机来测量的，555集成电路的输出管脚3连接到单片机的脚，实现了对脉宽T1的测量。其原理是利用单片机的脚作为定时器/计数器T0或T1的控制端：当TR0或TR1置1和GATE也置为1时，只有脚为高电平，相应的定时器/计数器T0或T1才被选通工作，对内部或外部时钟脉冲进行计数。因此，当把555集成电路的输出管脚3和8051单片机的脚相连后，当管脚3输出为高电平时，定时器/计数器T0或T1对这段时间进行记数，从而求得T1。不难发现，该电路与单片机的接口简单，占用单片机硬件资源少且抗干扰性能好。下面为8051单片机测量脉

12、宽的程序。入口：引脚输入的高电平。出口：脉宽测量值T1的低、高位字节分别放在30H和31H。程序清单如下： PWL EQU 30H ; 脉宽测量值低位 PWH EQU 31H ; 脉宽测量值高位ORG 0003H; 外部中断LJMP EX0INTMAIN: MOV A, #00 ; 脉宽测量定时器清零MOV TH0, A MOV TL0, A MOV PWL, AMOV PWH, AMOV TMOD, #00001000B ; 设置T0工作在16位定时器模式，打开选通门SETB EA ; 开放总中断SETB IT0 ; 设置INT0为下降沿触发模式JB P3.2 $ ; 等待低电平SETB T

13、R0 ; 启动定时器T0SETB EX0 ; 允许INT0中断EX0INT: CLR TR0 ; 关闭计数器MOV PWL, TL0 ; 读取脉宽值MOV PWH, TH0 MOV TL0, #00 MOV TH0，#00 RETI ; 返回当用该程序测得T1后，根据式（6）就可以求得温度x。由于AD590输出的电流在A级，根据前面的分析C1取0.1F。应该说明一点，虽然根据K= C1VCC/3可得K的理论值，但因C1和VCC测量精度的影响，实际中可通过两点定标的方法求得K。该系统的分辨率，响应时间等性能的计算同前面的分析，这里不再赘述。I P3.2（INT0）AD590 8 47 2 555 36 1