交流信号转直流信号电路设计

　　摘要：为了解决传感器交流输出与仪器仪表直流输入之间信号不匹配问题，根据二极管的单向导电性和运算放大器的深度负反馈原理，设计了精密全波整流电路。经实测证明，当交流信号有效值在一定范围内变化时，该电路可以实现交流信号到直流信号的精确转换。

　　引言

　　工业测量和控制系统中，传感器输出信号为多种形式的模拟量，其多数不能被直接使用，而需要经过变送电路将其转换成统一的直流模拟信号(1~5V或4~20mA)，再根据系统需要，用数据采集卡将直流模拟信号转换成可参与计算和完成过程控制的数字量。目前市场上的仪器仪表多以直流输入信号为主，而交流信号是传感器输出信号中较为多见的一种，为此需要设计一个交直流信号变送模块，将多种交流信号转换成统一的直流信号量，以便于能够被控制仪表、计算机或PLC等系统中的控制单元所识别。

　　变送模块整体结构

　　该模块共由五个主要部分组成：输入缓冲电路，全波精密整流电路，光电隔离电路，线性输出电路和隔离电源。结构框图如图1所示。

　　输入缓冲电路

　　传感器的交流输出多为电压信号。为了降低信号源的负载，通常需要提高下一级的信号输入阻抗，采用以运放为核心的电压跟随器作为模块的输入级是有效的解决方式。由于传感器产生的交流信号频率范围比较宽，选择运算放大器时得考虑选择宽频，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合这方面要求，它具有1012Ω输入阻抗，小信号输入带宽可达到4MHz^[5]。

　　全波精密整流电路

　　该部分为全波精密整流电路，是整个模块的核心部分。其输出电压为变送模块输入电压的绝对值，因此也叫绝对值电路^[1]。二极管具有单向导电性，是常用的整流元件，但二极管非线性比较大且有一个正向导通电压，当信号幅度小于二极管的导通电压时，二极管处于截止状态，使得整流出来的信号误差非常大，为了提高精度，可利用运算放大器的放大作用和深度负反馈来克服二极管非线性和正向导通压降造成的误差。

　　全波精密整流电路分为两部分，第一部分由运放U1A及周边器件构成半波精密整流电路，第二部分由U1B及周边器件构成反相求和电路。详见图2。

　　半波精密整流电路

　　该部分电路工作分两种情况：交流输入信号U_i>0与U_i<0。