具有自校正功能的隔离式频率电流转换器设计

【摘要】针对目前频率电流转换器受外界环境干扰后存在测量精度和可靠性降低的问题，提出了一种具有自动校正功能的频率电流转换器设计方案，详细介绍了该方案的软硬件设计，给出了自动校正的方法，本方案设计的频率电流转换器比目前的市面上的频率电流转换器的精度要高，环境适应能力要强等优点，工业测试结果表明，该频率电流转换器的数据采集精度可达0.5级，误差范围小于±0.5%，满量程工作时电流为26.8±0.2mA，最低功耗仅为280mW。

【关键词】自动校正；频率测量；频率电流转换；隔离变换

1.引言

频率电流转换器可以采集标准的200-1000Hz（或者0-1000Hz）的频率信号并将其转换成标准的4～20mA的电流信号，因目前多数传感器输出频率信号而PLC、DCS系统能够大量采集的是电流信号，所以被广泛应用于PLC、DCS系统的数采集。现在的频率电流转换器在实际的应用中容易受外界环境干扰而出现工作不稳定，误差增大等问题，一般采取的措施就是设计硬件电路通过精密可调电位器调节转换器的精度，使其满足要求，这在一定程度上加大了现场维护的难度。为此，笔者设计了一种具有自动校正功能的频率电流转换器，该转换器采集传感器（或其他设备）的频率信号，将频率信号转换为4～20mA的电流信号。同时利用闭环控制原理[2]，将电流信号反馈给转换器，转换器采集到的电流数据和由频率转换的电流数据二者进行比较，通过算法处理，校正电流输出，使转换器的精度和工作稳定性都能提高。

2.频率电流转换器硬件设计

隔离式频率电流转换器主要由频率电压转换电路、电压电流转换电路以及电源管理模块以及闭环的反馈控制模块（自校正）组成，如图1所示。频率电压转换电路以美国微芯半导体公司的单片机PIC16F1783为核心，由单片机最小系统以及频率隔离、采集模块组成。电压电流转换电路采用ANALOG DEVICES公司的集成芯片AD5410设计。外部直流电源一部分直接给电压电流转换芯片供电，另一部分通过降压芯片LDO转换为5V直流电源给单片机以及其他模块供电。闭环反馈模块主要是是通过精度为0.01%的高精密电阻采集转换器的输出电流，然后将转换后的电压反馈到单片机系统中，通过单片机内置的AD模块采集电压，做数据处理。

3.频率电流转换器的软件设计

频率电流转换器的软件采用C语言程序模块化程序设计，主要包括频率信号的采集处理、反馈的电压信号采集处理，自动校正算法等，具体流程如图2所示。

3.1 自动校正处理

工业现场环境非常复杂，电磁干扰、环境温度、湿度的差异以及噪声等因素使转换器上的核心元器件的性能有所变化，因此转换器的电流输出值就会与实际值存在偏差，即产生误差，目前大多做法是通过硬件电路调节转换器的精度，使其满足要求。不失一种解决办法，但是每个现场条件不一样，迫使每个现场都要对转换器的硬件做调节，无疑加大了调试和后期维护的难度和成本。笔者利用闭环控制原理，采集转换器输出的电流，通过处理转换为和输入频率一致的数据，在单片机内部将频率数据和反馈的电流数据做比较，如果反馈数据大于频率处理数据，就相应的减小将要发送的数据；反之，如果反馈数据小于频率处理数据，就相应增加将要发送的数据，输出稳定、精确的频率数据，从而达到自动校正输出电流的目的，其具体流程如图3所示。

3.2 转换模块数据输出格式

笔者设计的这款隔离式频率电流转换器为了完全满足工业现场的应用，并减轻控制机的数据处理工作量，在数据处理上做了相关处理，处理形式如表1所示。

从表1可以看出，输入频率小于180Hz或者大于1050Hz时，转换器按照无频率处理，输出0mA，可做为断线处理状态，在181-199和1001-1050区间范围内是一个离散值，当主控制器采集到这两个数值即可进行报警处理，只有在200-1000Hz的范围内线性输出4-20mA的电流。

4.测试

在同一工业现场环境下，环境因素反馈补偿前后所测得一组数据如下表2所示。

由表2可以看出，在补偿前，测量值误差较大，最大一组数据误差已经接近0.5%了，而补偿后的数据最大误差也不到0.1%，由此表明补偿效果很好。

5.结语

测试结果表明，笔者设计的自校正功能的频率电流转换器性能得到很大程度上的改善。该转换器现在已经在KXJ11-660隔爆兼本安型PLC控制箱中得到现场应用。随着PLC控制箱的大量推广，该转换器也得到了大量推广。目前在很多传感器上也开始配套使用本频率电流转换器。实际应用表明，该转换器的数据采集精度可达0.2级，误差范围小于±0.2%，满量程（1000Hz，对应输出20mA）工作时的电流为26.8±0.2mA，最低功耗仅为280mW（当供电电源为12V，此时最大负载为500Ω），而且稳定性好，受环境因素影响小，满足一般工业控制应用的要求。

参考文献

[1]费业泰.误差理论与数据处理（5版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]胡寿松.自动控制原理（5版）[M].北京：科学出版社，2007.

[3]李荣正.PIC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.