一种智能无线信号变送器设计方案

智能无线信号变送器的总体设计

智能无线信号变送器是针对主流变送器和典型传感器输出信号设计的，所以首先分析一下它们各自的输出信号。通常变送器的输出是4～20mA标准电流信号。而对于传感器来说，其输出信号的类型非常多。鉴于本系统设计所面向的对象，对于专业应用针对性强，应用较少的非电形式的信号、较大的电压信号不予考虑。另外，对于较为常用的频率信号，在进行系统样机设计时，也没有考虑，这在产品样机的研制中可以加入，以增加系统的柔性。综合分析，重点就是弱电压信号了。那如何确定系统设计针对的弱电压信号范围呢?一般情况下，mV级的电压信号被认为是弱电压信号，但这个概念很模糊，不易于定量的设计。根据应用的广泛程度、代表性以及规范的程度，在此不妨以热电偶为例进行分析。

热电偶产生的是电压(电势)信号，属于缓变的毫伏级弱信号，表1是常用的各种热电偶的温度测量范围和对应的热电势范围。

表1常用热电偶主要威廉希尔官方网站 参数 

由表中可以看出，热电偶的输出热电势基本上在0～60mV的范围内，因此，可以认为0～60mV具有较好的代表性，能够覆盖很多的应用环境，也应该作为系统输入的另一种信号类型。这样系统前端输入信号就有两类：4～20mA标准电流信号和0～60mV电压信号。这两类信号经过不同的调理电路调理为适合A/D芯片输入量程的电压信号后，经多路开关选通进行模数转换，然后经过MCU处理，最后可以与其他现场设备或监控中心进行通信。系统原理框架图见图1.

图1 系统原理框架图 

硬件设计

下面分别从信号调理电路、AD转换电路、GPRS MODEM接口电路这几个方面来介绍硬件电路的设计。

1 信号调理电路

信号调理电路的功能是对前述4～20mA标准电流信号和0～60mV电压信号这两路输入信号进行放大处理，并通过多路开关实现对其选通输入，为后面的AD转换所用。

由于本系统设计输入信号动态范围为0～60mV，相对于常见的A/D芯片输入量程(2V、5V、±10V等)来说数值偏小，如果直接予以转换的话，则达不到应有的转换精度，影响系统总的测量精度，因此需要首先对输入信号进行放大，经过综合考虑，采用了仪用运放INA118.

图2 INA118内部电路图 

INA118通过在脚1～8脚之间外接电阻Rg来实现不同的增益，该增益可从1～1000不等。电阻Rg的大小由Rg=50kΩ/(G-1)决定，式中：G为增益。

由于Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响，因此，在需要获得高精度增益的应用中对Rg的要求也比较高，应采用高精度、低噪声的金属膜电阻。此外，高增益的电路设计中的Rg值较小，如G=100时的Rg值为1.02kΩ;G=1000时的Rg值为50.5Ω。因此，在高增益时的接线电阻不能忽略，由于它的存在，实际增益可能会有较大的偏差，因而，计算得到的Rg值需要修正。修正的具体方法是用一个可调电位器替代Rg，调节电位器使得输出电压与输入电压的比值达到设计所要求的增益值。

4～20mA电流信号使用不同阻值的采样电阻即可以转换为不同动态范围的电压信号。根据本系统需求，使用120Ω的精密电阻可以实现4～20mA电流信号转换为0.48～2.4V的电压信号，与后级A/D芯片量程相匹配。信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路