一种PH值传感器信号放大电路的制作方法

本实用新型涉及一种硬件电路，特别涉及一种无论输入电压为正或为负，输出均为正电压的电路，且该电路的输入输出具有良好的线性关系，尤其适合于PH值传感器输出信号的放大。

背景技术：

现有的PH值传感器大部分都为直流电压输出型，当被测介质为中性时，其输出电压为零；当被测介质呈酸性时，其输出电压为负值；当被测介质呈碱性时，输出电压则为正值。针对这种电压极性不确定的直流电压信号，传统方法通常按以下步骤来对信号进行甄别处理，即先用电压比较器对输入信号的极性进行甄别，然后再用通用仪表放大电路对信号进行放大，并对信号进行绝对值运算，最后再通过A/D转换将其转换成数字信号供控制系统处理。数字信号还要辅以信号极性标志才能正确判断PH值。上述方法不仅处理电路复杂，而且成本较高，给设计和使用都带来诸多不便。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种由分立元件构成的、低成本的PH值传感器信号放大电路，用于对输出信号既可能为正极性直流电压信号也可能为负极性直流电压信号的PH值传感器的输出信号的放大。

本发明的技术解决方案是提供一种PH值传感器信号放大电路，其特殊之处在于：包括传感器输出等效电路、双栅极场效应管、双栅极场效应管跨导曲线控制电路、双栅极场效应管偏置电路及输出电路；

上述传感器输出等效电路的输出端与双栅极场效应管的其中一个栅极连接；

双栅极场效应管跨导曲线控制电路包括电阻R1与电阻R2，上述电阻R1的一端接电源正极，电阻R1的另一端分别与双栅极场效应管的另一个栅极及电阻R2连接，电阻R2直接接地；

双栅极场效应管偏置电路串联在电源正极并与双栅极场效应管的漏极连接；

上述输出电路并联在双栅极场效应管的漏极和源极之间。

优选地，上述传感器输出等效电路包括相互串联的电压源和电阻R，电阻R与双栅极场效应管的其中一个栅极连接。

优选地，双栅极场效应管偏置电路包括依次串联在电源正极的电阻R3及电阻R4，电阻R4与双栅极场效应管的漏极连接。

优选地，上述输出电路包括并联的电容C1与电容C2。

优选地，当电阻R3为电阻可调的可变电阻时，可实现对整个电路的输出进行校准。

优选地，上述双栅极场效应管为型号为BF998的双栅极MOS场效应管。

优选地，供电电源为12V，R1＝R2＝100K。

优选地，R3＝100Ω，R4＝620Ω。

该电路主要由传感器输出等效电路模块、双栅极场效应管跨导控曲线制电路、双栅极场效应管偏置电路、输出校准电路和输出电路5部分组成。

其中传感器输出等效电路是根据具体的PH值传感器的技术参数，利用戴维南等效电路原理将其简化为电压源串联电阻的等效模型，以便于简化电路的分析计算；双栅极场效应管跨导控曲线制电路则通过给其中一组栅极和源极施加不同的电压来控制场效应管的跨导曲线，以实现放大电路增益的自动调整和电路线性调整；双栅极场效应管偏置电路的作用则是为双栅极场效应管提供合适的静态工作点，使其能够准确、可靠地放大输入信号；输出校准电路用于在传感器投入使用前的调零和使用过程中的校准，以确保传感器能准确可靠地计量；输出电路则是将经过放大的传感器输出信号进行缓冲稳定，并传送给后续A/D转换模块或数字处理器对传感器的输出进行处理。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用双栅极耗尽型MOS场效应管为核心元件，该器件即可工作在增强模式又可工作在耗尽模式，对输入的直流电压信号的极性没有限制；

2、本实用新型仅通过其中一组栅源电压变化就可控制整个场效应管的夸导曲线，以实现增益的自动控制和线性的自动调整；

3、本实用新型硬件构成简单，成本低、易于维护。

附图说明

附图1为本实用新型的结构框图。

附图2为本实用新型的电路原理图。

附图3为某双栅极MOS场效应管的跨导曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本实用新型的电路原理图如附图2所示，具体工作过程如下所述：

一、传感器输出等效电路

由于目前所用的PH值传感器都是直流电压输出型的，且在出厂时都给出了其输出电阻。因此按照戴维南定理“含独立电源的线性电阻单口网络，可以等效为一个电压源和电阻串联的单口网络”，本实施例可将传感器的输出等效为附图2中所示的电压源Vsensor和电阻Rsensor。从而简化对该电路的分析，以便于进行电路仿真、器件选型和参数计算。

二、跨导曲线控制电路

附图3所示为某双栅极MOS场效应管的跨导曲线它特性图。由该特性曲线可知：在相同条件下，栅-源电压VG2S直接决定了场效应管的跨导曲线，因此可通过设置合理的栅-源电压VG2S来得到合适的跨导曲线，进而获取合适的直流放大倍数。在本实施例中，VG2S是由电阻R1和R2通过分压而得到的。VG2S的具体量值则是依据PH值传感器的输出电压、常用PH值的范围、所需放大倍数以及实际供电电压等几个因素共同决定的。考虑到本实用新型所采用的PH值传感器的输出电压为-600mv到600mv(对应PH值1到14)，而实际被测介质的PH值通常介于5到9之间(其对应的传感器输出电压为-200mV到200mV)，结合双栅极MOS场效应管的跨导特性曲线以及所要求的线性等技术指标，本实施例中采型号为BF998的双栅极MOS场效应管，系统的供电电源为12V，VG2S经由两个100k的电阻分压后稳定在6V。从而得到合适的放大倍数和良好的线性。

三、效应管偏置电路

要使双栅极MOS场效应管Q1能正常工作，就必须为其设置和实施的静态工作点，同时为了使其可靠工作还必须对其加以保护，防止实际运行过程中某些参数达到其极限参数而为破坏元器件。在本实施例中根据漏极Q1的具体电气参数将R3的阻值设置为100Ω，将R4的阻值设置为620Ω，可确保最能产生的最大漏极电流不超过场效应管所允许的最大漏电流，以确保双栅极场效应管可靠运行。

四、输出校准电路

PH值传感器属于计量器具，在投入使用前和使用过程中都要经过检定或校准，确保其能与其他同类传感器能够溯源到同一计量标准，进而保证所有工作用的PH值传感器能够具有较好的一致性和通用性。在本实施例中通过调整可变电阻R3的阻值即可达到对输出进行调整的目的，其原理如下：由于在相同条件下下漏电流保持不变，增大电阻R3，则R3和R4上的压降将增大，从而使输出电压减小，起到负反馈调节的作用。

五、输出电路

输出电路的作用是将经过放大的传感器输出信号进行缓冲稳定，并传送给后续A/D转换模块或数字处理器对传感器的输出进行处理。在本实施例中是通过电容C1和C2对放大信号进行稳压滤波之后再传递个后续处理电路的。