CN101136637A - 双路4-20mA直流模拟量输出装置 - Google Patents
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Abstract
双路4－20mA直流模拟量输出装置是一种基于FPGA控制的双路4－20mA直流模拟量输出装置，区别于通过主CPU以SPI口控制单片DAC芯片的电路。该电路可以通过FPGA的IO口模拟双路SPI通信线，将主CPU给出的并行数字信息转成DAC要求的串行数字流输出，实现4－20mA的直流模拟量输出。该装置由高速光隔离器(1)、数/模转换器(2)、运算放大器(3)、电压基准源(4)组成；其中，高速光隔离器(1)、数/模转换器(2)、运算放大器(3)顺序串联连接，电压基准源(4)分别与数/模转换器(2)、运算放大器(3)连接，高速光隔离器(1)的输入端为本装置的输入端，运算放大器(3)的输出端为本装置的输出端。
Description
技术领域
本发明是一种基于FPGA控制的双路4-20mA直流模拟量输出装置，区别于通过主CPU以SPI口控制单片DAC芯片的电路。该电路可以通过FPGA的IO口模拟双路SPI通信线，将主CPU给出的并行数字信息转成DAC要求的串行数字流输出，实现4-20mA的直流模拟量输出。属于电力自动化装置制造的技术领域。
背景技术
在电力系统中，特别在发电厂电气监控系统中，主控室需要监视远方现场的一到多路模拟量，往往采用体积大、重量重、成本高的变送器将该模拟量转换成4-20mA的直流量送至主控室。既占用厂站用地，又增加变送器投资，同时给维护带来不便。
本发明利用FPGA(现场可编程门阵列)器件的强大功能，将主CPU的并行数据转换成DAC所需的串行数据流，并模拟产生合适的时钟脉冲，控制DAC输出相应的电压，经调理后输出4-20mA的直流模拟量。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种双路4-20mA直流模拟量输出装置，替换传统的变送器方式，获得远方所需的高精度、损耗少、抗干扰好的4-20mA直流模拟量。同时最大限度地降低主CPU的工作负荷、简化程序设计、降低硬件成本。
技术方案：为了实现以上目的，本发明由高速光隔离器、数/模转换器、运算放大器、电压基准源组成；其中，高速光隔离器、数/模转换器、运算放大器顺序串联连接，电压基准源分别与数/模转换器、运算放大器连接，高速光隔离器的输入端为本装置的输入端，运算放大器的输出端为本装置的输出端。
与上级电路连接的通信线接高速光隔离器即光隔离电路“U6”的输入端，光隔离电路“U6”的输出端连接至数/模转换器即第一数/模转换电路“U1”的通信端“SYN1、SCLK、DAIN”和第二数/模转换电路“U5”的通信端“SYN2、SCLK、DAIN”；第一数/模转换电路“U1”的输出端经第一调理电阻、第二调理电阻、第三调理电阻接入运算放大器即运算放大电路“U2”输入端“3”，运算放大电路“U2”的输出端“6”经第一三极管驱动后输出4-20mA模拟量信号；第二数/模转换电路“U5”的输出端经第八调理电阻、第九调理电阻、第十调理电阻接入运算放大器即运算放大电路“U4”输入端“3”，运算放大电路“U4”的输出端“6”经第二三极管驱动后输出4-20mA模拟量信号。
本发明采用搭建电路的模式，用两片高精度DAC器件AD5660、两片低噪声运算放大器AD8627AR、一片稳定性好的电压基准源ADR02BR加上少量的调理器件实现。其上一级电路为现场可编程门阵列器件(FPGA)，控制两片AD5660的SPI口接收数据源、AD5660根据收到的8bit命令码，控制转换随后收到的16bit数字码为对应的电压信号，由电阻转换成0-16mA的电流信号由运放芯片AD8627AR及分压电阻回路叠加4mA电流，得到4-20mA的输出。
有益效果：整个装置具有如下特点：
a)接口简单。两路4-20mA输出只需要4根控制及数据线。片选线各自分开，时钟线及数据线复用。
b)精度高。回路输出经过调理、一级三极管驱动、外部电压基准源，可保证输出精度及稳定度优良品质。
c)成本低。相对于单片4-20mA转换DA器件，由于采用多片器件搭建电路对芯片设计、制造水平要求低，价格可以大大降低。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是本发明的电路原理图。
图3是本发明的控制流程图。
图中有：高速光隔离器1、数/模转换器2、运算放大器3、电压基准源4。
具体实施方式
图1及图2分别为本发明的电路原理框图和电路原理图。由高速光隔离器1、数/模转换器2、运算放大器3、电压基准源4组成；其中，高速光隔离器1、数/模转换器2、运算放大器3顺序串联连接，电压基准源4分别与数/模转换器2、运算放大器3连接，高速光隔离器1的输入端为本装置的输入端，运算放大器3的输出端为本装置的输出端。“SYN1、SYN2、SCK、DAIN”为两路数/模转换器件(AD5660)的SPI通信线，它们经光隔隔离后连到上一级的FPGA(现场可编程门阵列)的IO腿上，FPGA通过拉低SYN1或SYN2来选择两片AD5660中的一片，然后在AD5660的6腿(SCLK)上输出一定频率的方波信号，以同步串行数据的输出(AD5660的7腿)，AD5660接收完完整的24bit命令码及数据码后，输出相应的电压值，经电阻R1(或R8)输出对应的电流值，与一端接电压基准源的R2(或R9)叠加后得到4-20mA电流后流经R3、R4(或R10、R11)后送出。
与上级电路连接的通信线SPI接高速光隔离器1即光隔离电路“U6”的输入端，光隔离电路“U6”的输出端连接至数/模转换器2即第一数/模转换电路“U1”的通信端“SYN1、SCLK、DAIN”和第二数/模转换电路“U5”的通信端“SYN2、SCLK、DAIN”；第一数/模转换电路“U1”的输出端经第一调理电阻R1、第二调理电阻R2、第三调理电阻R3接入运算放大器3即运算放大电路“U2”输入端“3”，运算放大电路“U2”的输出端“6”经第一三极管Q1驱动后输出4-20mA模拟量信号；第二数/模转换电路“U5”的输出端经第八调理电阻R8、第九调理电阻R9、第十调理电阻R10接入运算放大器3即运算放大电路“U4”输入端“3”，运算放大电路“U4”的输出端“6”经第二三极管Q2驱动后输出4-20mA模拟量信号。
以下为本技术所用的各器件的型号：
| 器件标号 | 功能名称 | 器件型号 |
| C1、C2 | 表贴电容 | X7R-63V-0603-0.1u |
| C3、C4 | 表贴电容 | X7R-63V-0603-390p |
| D1、D2 | 表贴二极管 | 1N4007 |
| EC1、EC2 | 钽电容 | 10uF/35V |
| J1、J2 | 单排插针座 | 5孔 |
| Q1、Q2 | 三极管 | 2N3904 |
| R1、R8 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-200K |
| R2、R9 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-1M |
| R3、R10 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-68K |
| R4、R11 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-2K |
| R5、R12 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-1.2K |
| R6、R13 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-3.3k |
| R7、R14 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-100 |
| R17-R20 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-200 |
| R21-R24 | 表贴电阻 | CR0603-1/8W-330 |
| U1、U5 | 数/模转换器 | AD5660ARJ-2500RL7 |
| U2、U4 | 运算放大器 | AD8627AR |
| U3 | 电压基准源 | ADR02BR |
| U6 | 光隔 | TLP281-4 |
Claims (2)
1.一种双路4-20mA直流模拟量输出装置，其特征在于该装置由高速光隔离器(1)、数/模转换器(2)、运算放大器(3)、电压基准源(4)组成；其中，高速光隔离器(1)、数/模转换器(2)、运算放大器(3)顺序串联连接，电压基准源(4)分别与数/模转换器(2)、运算放大器(3)连接，高速光隔离器(1)的输入端为本装置的输入端，运算放大器(3)的输出端为本装置的输出端。
2.根据权利要求1所述的双路4-20mA直流模拟量输出装置，其特征在于：与上级电路连接的通信线(SPI)接高速光隔离器(1)即光隔离电路“U6”的输入端，光隔离电路“U6”的输出端连接至数/模转换器(2)即第一数/模转换电路“U1”的通信端“SYN1、SCLK、DAIN”和第二数/模转换电路“U5”的通信端“SYN2、SCLK、DAIN”；第一数/模转换电路“U1”的输出端经第一调理电阻(R1)、第二调理电阻(R2)、第三调理电阻(R3)接入运算放大器(3)即运算放大电路“U2”输入端“3”，运算放大电路“U2”的输出端“6”经第一三极管(Q1)驱动后输出4-20mA模拟量信号；第二数/模转换电路“U5”的输出端经第八调理电阻(R8)、第九调理电阻(R9)、第十调理电阻(R10)接入运算放大器(3)即运算放大电路“U4”输入端“3”，运算放大电路“U4”的输出端“6”经第二三极管(Q2)驱动后输出4-20mA模拟量信号。
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| CN103903412B (zh) * | 2014-03-28 | 2017-04-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种用于NOx传感器的CAN总线转4‑20mA的数据信号转换装置 |
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