[发明专利]弱电压信号的远距离传输电路

说明书

技术领域

本发明涉及信号传输电路，具体为弱电压信号的远距离传输电路。

背景技术

电压信号源一般产生于传感器内部，仪器仪表输出和工业现场环境。通常情况下，这些电压信号的数量值都比较微弱，所以称其为弱电压信号。在对弱电压信号进行远距离传输时，一般首先将其放大处理，然后再进行传输。处理电路通常具有一定的阻抗，这样就会对微弱的信号源形成衰减，使得测量信号呈现非完整性。传输电路的线路上通常存在一定阻抗，这样又会对传输过程中的信号造成衰减，进一步增加了原始信号的失真。目前，对弱电压信号的远距离传输已有多种方案。但是，这些方案主要存在如下缺点：前端处理电路有较大的阻抗，衰减了信号源；传输电路的驱动能力不稳定，给信号造成了一定程度的失真。

发明内容

本发明解决现有弱电压信号的远距离传输技术存在的问题：前端处理电路有较大的阻抗，衰减了信号源；传输电路的驱动能力不稳定，给信号造成了一定程度的失真，提供一种弱电压信号的远距离传输电路。该电路能够精确采集放大弱电压信号，并将放大后的电压信号转换为电流信号，形成稳定的压控电流源，从而实现弱电压信号的远距离传输。

本发明是采用如下技术方案实现的：弱电压信号的远距离传输电路，包括第一、第二、第三运放OA1、OA2、OA3，两个第一电阻R1，第二电阻R2,第三电阻R3,第四电阻R4，两个第五电阻R5和可调电阻RG；第二运放OA2的同相端接地，第三运放OA3的同相端作为弱电压信号V(in)的输入端，第二运放OA2的输出端经一个第五电阻R5、可调电阻RG、另一个第五电阻R5与第三运放OA3的输出端相连，第二运放OA2和第三运放OA3的反相端分别与可调电阻RG的两端相连；第二运放OA2的输出端经一个第一电阻R1与第一运放OA1的反相端相连，第三运放OA3的输出端经另一个第一电阻R1与第一运放OA1的同相端相连，第一运放OA1的反相端经第二电阻R2与其输出端相连，第一运放OA1的同相端经第三电阻R3、第四电阻R4与其输出端相连；第三电阻R3和第四电阻R4之间的节点作为转换后的电流信号I(out)的输出端。

该弱电压信号远距离传输电路的工作过程描述如下：整个电路分为两个过程。第一个过程：弱电压信号的采集放大过程。在图1所示的电路中，OA2，OA3，R5，RG组成了高输入阻抗、低输出阻抗的采集放大电路，通过对信号源进行缓冲，提供了较高的输入阻抗，有效减少了采集电路对信号源的干扰和衰减；并能对信号源进行适当放大。第二个过程：电压转换为电流。OA1，R1，R2，R3，R4，RL组成了电压-电流转换电路。该电路由基本的差分电路改进而来。改进一：将差分电路的“四电阻电桥”改进为“五电阻电桥”，降低了电路的功耗。改进二：由“电压转换电压”改进为“电压转换电流”。通过该电路的使用，可以实现弱电压信号的电流转换，并提供较小的输出阻抗，提高了驱动能力。其中，I(out)为转换后的电流信号，RL代表了传输导线的等效阻抗。

图2电路为图1电路的左半部分即第一个过程的电路图，图2电路负责弱电压信号的采集放大。首先运算放大器OA2和OA3分别通过RG两端电压的反馈回路形成负反馈，保证了OA2和OA3处于负反馈状态，并能提供虚短路和虚断路的能力；由于虚短路特点，OA2和OA3同相端的弱电压信号跨接在RG两端。根据虚断路特点，可以得到V1、V2（第二和第三运放的输出端电压）和V(in)的电压关系如下所示：

 V2 - V1 = ( 1 + 2R5 / RG ) * V(in)。

图3第二个过程的电路原理图，该电路为一个改进的差分放大电路，设OA1同相端和反相端的电压分别为Vp和Vn，OA1的输出电压为Vo，RL两端的电压为VL，则根据虚短虚，虚断路，节点电压，支路电流的关系，可以得到以下关系式：

 Vo = ( 1 + R2 / R1 ) Vp；

 Vp = [ R3*( V2 - V1 ) + R1*VL ] / ( R1 + R3 )；

 I(out) = ( V2 - V1 - VL ) / ( R1 + R3 ) + ( Vo - VL ) / R4；

由以上三个关系式推导可得：

 I(out) = ( V2 - V1 ) / R - VL / Ro；

其中R = R1 * R4 * ( R1 + R3 ) / [ R1 * ( R3 + R4 ) + R2 * R3 ]；

Ro = R4 * ( 1 + R3 / R1 ) / [ R2/R1 - ( R3 + R4 )/R1 ]；