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| 高精度电压/电流转换器混合集成电路VIC的性能与应用 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2007-5-11  |
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1概述 VIC是一种完整的模块化电压/电流转换器。它给使用者提供了便利的、与输入电压相对应的电流信号输出。正常的输入电压范围为0V～＋10V的直流电压，对应输出的电流为4mA～20mA。 VIC模块用单电源工作，供电电压范围为＋10V～＋ 32V，使用温度范围为－25℃～＋85℃，在这个温度范围内使用具有较低的温度漂移（最大为0.005％/℃）。VIC型产品有两种精度级别。 VIC2可提供精确度最大为0.005％的非线性误差，在没有外部修正的情况下，零偏置最大误差为±0.1％，满程最大误差为±0.2％。而VIC1 是一种在精确度允许条件下较为经济的模块。它的非线性最大误差为0.025％，其零偏置最大误差为±0.4％，满程最大误差为±0.6％，满程的温度稳定度最大为0.01％/℃。 VIC封装在较小的（28mm×28mm×10mm）坚固环氧体中。为了更广泛的使用，提供了两个信号电压输入（Vin1和Vin2）和两个参考输入（REFin1和REFin2）端子。利用Vin1和 REFin1端子可以免接外部元件。零偏置和满程的精度由内部自校准，如果需要更高的精确度（≤±0.01％）,可使用Vin2和REFin2以及高精度电位器来实现。 2使用范围 VIC模块是为了用于过程控制和监视系统中，对子系统或识别系统单元之间的信息传递而设计的。我们把它当作传输线，就象过程控制系统之间的元件一样。例如在发射机、指示器、控制器、记录仪、计算机、激励器和信号调节器中提供传递。 VIC可用于微机系统的D/A变换器、输出与过程控制器件之间的接口转换器。例如可变定位阀，另一种典型应用为电流输出型比例控制器，例如电流－位移变换器和电流－气动换能器。 为了扩大其适应性,除具备非隔离电流环传输的输出信号兼容性外，还可使用外部参考点达到一定的电流比率。VIC提供将外部参考点基准电压（即数/模相乘变换器）连接到REFin2端的能力，另外可用＋12V电池作为供电电源，也可用数字识别系统中的＋15V电源或过程控制仪表中的＋24V电源。 3主要性能和特征 （1）电路完整，无需外部元件； （2）外形尺寸小：28mm×28mm×10mm； （3）输入：0V～10V；输出：4mA～20mA； （4）低温漂：0.005％/℃最大值； （5）非线性低：0.005％最大值（VIC2）； （6）工作温度范围宽：－25℃至＋85℃； （7）单电源工作：＋10V～＋32V； （8）用非隔离电流环传输； （9）价格低。 主要应用领域是：工业仪器和控制系统；D/A转换器－电流环接口；模拟传输和控制器；动态数据识别系统。 4标志、外形尺寸和引脚功能 该模块的标志如图1所示。外形尺寸如图2所示，引脚功能如表1所示。
5电参数 VIC系列的电参数如表2所示。 该电路的负载阻抗范围如图3所示。负载阻抗是所有连接接收器和连接线的阻抗之和。VIC的工作负载阻抗从属于供电电源，并且电源每降低1V将有50Ω的衰减。同样，电源电压每增加1V就增加50Ω。但是，总阻抗值不能超过模块的安全电压能力。 6工作原理 VIC是厚膜混合集成电路，其内部包含高精度运算放大器、0.1％高精度低温漂厚膜电阻器、高稳定性参考电压源和输出恒流源。在＋10V～＋32V宽范围电源下工作，接收0V～＋10V电压信号，经过与内部标准参考电压（＋2.5V）比较放大，输出恒定电流、恒流源部分有一反馈传感电阻器环路使输出电流按输入信号电压的比例流入负载。在0V输入时VIC提供 4mA的输出电流（REFin1与REFOUT相连），其电流的大小与负载电阻无关，即VIC所驱动的负载没有最小电阻限制，可驱动各种短接电路而不损坏模块。最大外接环路电阻RL由式（1）给出： 表 2 VIC系 列 的 电 参 数 （ 典 型 值 ： ＋ 25℃ ,VS=＋ 15V,除 非 另 有 说 明 ）
注： （1）输出电流指在＋10V～＋32V供电范围内流进接地负载的电流。 （2）参见图3所示最大负载电阻值与供电范围的关系。 （3）精确度是当参考入连接到参考出并无外界因素影响。 （4）所有精确度性能指当输出在16mA时的百分值（±0.1％=0.016mA）的输出误差。 （5）参考输入一般连接到参考输出。 （6）任意微调点可用于校准各种电源电压（＋2.5Vdc）。 （7）各项性能改变不另行通知。 RL,max（Ω）=（VS－5V）/20mA 图4所示为基本接线原理图，负载必须与模块电源公共端连接，Io（5脚）与COM（2脚）间出现的电压值不能超过Vmax=＋Vs－5V，超过这一值（甚至大于32V以上）模块虽不会损坏，但会有线性损耗（严重失真）。 7任意校准与调节步骤 7.1校准与调节 VIC 出厂调节的零偏置误差为±0.1％max，满程误差为±0.2％max（VIC2）。在大多数应用场合下，按图4所示的接线即可，调节功能可以不用。如果必须获得高于±0.01％的精确度或者使用高信号源阻抗（内阻为10kΩ），要校正其误差值。这时，要使用输入端Vin2和REFin2，并且Vin1 和REFin1开路。执行外部调节的高精度电位器按图5所示连接，Vin2（满程调节）和REFin2（零偏置调节）分别串接高精度低温漂的500Ω电位器。调整满程点时，监测RL的电压降，在＋10V输入时可获得5000V（IO=20mA）的输出电压。然后，若未达到所需精度范围（相互有微量干扰），则重复细调，直到满意为止。 7.20mA～10mA输出 VIC 模块可用到0mA～10mA电流输出。在0V～10V输入信号电压范围内，针对0V输入而获得0mA输出。须将REFin1（脚6）和REFin2（脚 8）端子与左侧开路。典型的输出电流误差（无调整0V输入）为0.1mA，VIC满程校准可通过串接Vin2输入的1kΩ电位器来调整，应用VIC获得 0mA～10mA输出电流的基本连接如见图6所示。 7.30mA～20mA输出 VIC 模块可应用到需要0mA～20mA输出电流的场合，对应于0V～10V输入信号电压的范围内，先将REFin1（脚6）与左侧开路，并且将REFin2 （脚8）通过一个32.4kΩ电阻器连接到Vin2（脚1）。对于0V输入（无调整），典型输出电流误差为0.1mA，而其满程的校准可通过串接到 Vin2输入端的（脚1）的2kΩ电位器来校正。可达到满程9％的调整范围。0mA～20mA工作的基本连接方式可参见图6b。 8输出保护 在许多工业应用中，交流电源的短路故障很容易损坏VIC模块和输出负载，尤其是模块的输出端（脚5），故应给予保护，使模块安全地工作在4mA～20mA之间。图7所示的电路连接即可达到这个目的。1N4002完成反向保护。V272A1是27V瞬态抑制二极管，当输出电压高于该值时，大电流从此泄放，箝位高压保护负载。若仍有大电流流向RL，则保险丝熔断（1/16A）。同样得以保护。必须指出的是，选用保护电路时，最大允许负载电阻器的电流应低于保险允许通过的电流。 9应用 9.1用于D/A变换器电压输出接口 图8 是D/A变换器与VIC组成的接口电路。D/A变换器是AD公司的DAC80型12位数/模变换器，输出0V～10V的模拟信号。VIC的供电电源由供给 D/A变换器的＋15V电源供给。图中所接的电容器是为了避免电网干扰。RL负载可为要控制的器件。零偏置和满程的调节电位器用来修正输出电流。调整方法为：首先将全部置1的数字码输入到D/A变换器中，调节零偏置电位器，使输出电流精确到4mA，然后将全部置0的数字码输入到D/A变换器中，调节满程电位器，使输出电流精确到20mA－1LSB=19.9961mA（LSB是最低有效位），便可以使用。 9.2用于D/A变换器电流输出接口 对于D/A变换器电流输出型接口如AD562，其电路结构如图9所示。由于AD562的电路设计备有外部＋10V基准（AD581），可利用这一外部基准作为VIC的参考电压，使其工作更精确。AD562的输出用来驱动具有加法功能的运算放大器（AD301），产生一系列输出电压，再使用AD562的内反馈电阻使其变为0V～＋10V的信号给VIC。零偏置和满程的调节与以上所述相同。 9.3用于微型计算机电流环接口 图10 示出VIC在多通道微型计算机模拟输入系统中的典型应用。当一台微机控制终端元件，如阀门定位控制器、伺服机构或马达时，必须经常连接4mA～20mA输出的模拟端头卡板。典型的输出卡板有1个～8个通道，每个都有自己的D/A变换器。小型的封装VIC模块可以方便地安装在电路板上，不需要任何辅助元件，并且可以互相兼容。 9.4用于压力调节系统 图11示出VIC在比例压力控制系统中的应用，压力传感器通过AD公司的2B31信号调节器监控0.211kg～1.055kg/cm2的系统工作压力。2B31的高电平输出经VIC变换成4mA～20mA的电流信号至极限报警器和比例调节电路。再由电流－位移变换器 控制步进电机来控制阀门的大小，以构成完整的压控环路。选用隔离型4mA～20mA输出时，对于应用要求大于±1500V直流输入输出隔离的电压－电流变换器，可选用同类型的HV1C型隔离电压电流转换器（见本刊2002年第6期）。 10结论 VIC 模块的广泛使用得益于它的小型化和可供扩展的端子，同时，内部的高精度、非标称值的厚膜电阻和精密参考基准电压起了关键的作用。如果内部集成电路选用宽温区芯片，并且使用金属平行封焊技术，其应用领域更为宽广。另外，本品采用国际标准的引脚尺寸，可与AD等公司具有4mA～20mA的电压电流变换器直接互换兼容。 作者简介：林长春（1958－）,男，主任设计师，从业于陕西华经微电子有限公司。主要从事厚膜混合集成电路和模块功能电路的研究与设计等。 汪前富（1977－）,男，助理工程师，从业于陕西华经微电子有限公司。主要从事厚膜混合集成电路的研发与应用。 |
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