CN101286264A - 工业控制信号的隔离转换装置 - Google Patents

Abstract

一种工业控制信号的隔离转换装置，该装置为金属外壳注塑封装的结构，以增强其抗电磁干扰、防尘、抗震的性能；其控制电路包括：顺序逐级连接的电压V/频率F转换输入电路、光电耦合隔离电路、频率F/电压V转换电路、以及电压V/电流I转换输出电路。其中光电耦合器是选用隔离和耐压性能高、输出线性度好、传输速度快的光耦器件。本发明的技术效果是很好地解决了现有工业控制信号传输装置存在的抗电磁干扰能力差、线性精度差、体积大和安装复杂的许多问题，具有体积小巧、安装方便、防震、防尘、输出线性的精度高、信号性能稳定、抗干扰能力强等特点，有很好的推广应用前景。

Description

工业控制信号的隔离转换装置

技术领域

本发明涉及一种用于工控技术中的信号隔离、变换传送的工业控制信号的隔离转换装置，属于工控技术中的信号传输技术领域。

背景技术

现代工业控制技术中，经常使用单片机对工业生产的操作流程执行自动控制。在单片机控制的大功率电机的逆变、变频，以及发电、输配电和化工、矿山、钢铁等其它许多行业的生产场合中，都要使用传感器将单片机不能直接测量的各种物理量转换成单片机能够识别、处理的模拟量电信号，如电流传感器、温度传感器、流量传感器等等。由于现在的传感器大多为电压输出型，就是将测量信号转换为0～5V的电压输出，再通过模/数转换电路将其转换为数字信号后，提供给单片机读取和控制。但是，当信号需要传输较远的距离，或者在使用环境中，电磁干扰或电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的应用受到了很大的局限，暴露了其抗干扰性能差、输出的电压信号稳定性差、线性差、以及传输距离短等许多缺点，这些缺陷都会使单片机产生误判断，从而使得工控过程出现错误操作，严重时还会损坏设备。

近年来，电流输出型传感器以其具有较高的抗干扰能力得到了广泛应用。电流输出型传感器是将各种物理量直接转换成标准的电流型工业控制信号，其输出的工业控制信号有两种标准：0-20mA和4-20mA。例如：将温度信号隔离转换成4-20mA信号，将直流1A电流信号隔离转换成0-20mA信号。而且能够保证工业控制信号在整个隔离转换过程中的输出稳定，具有很好的抗干扰能力和隔离性能，为整个控制系统的采样提供精确数据，保证整个工控系统的稳定。

总之，目前的工业控制信号在传输过程中存在的主要缺点是：结构复杂、体积较大、安装困难，应用于交流电网和电磁辐射场合下的抗干扰能力差，输出线性度差、容易产生基准信号偏移现象，在工业场合中应用时防震、防尘性能差，容易损坏。因此，现在急需尽快研发一种能够很好地解决上述问题的工业控制信号的隔离转换装置，该课题也自然地成为业内技术人员关注的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构新颖的工业控制信号的隔离转换装置，该装置具有体积小、安装方便、防震、防尘、输出线性的精度高、信号性能稳定、抗干扰能力好等特点。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种工业控制信号的隔离转换装置，该装置为金属外壳注塑封装的结构，以增强其抗电磁干扰、防尘、抗震的性能；其特征在于：所述装置的控制电路包括：顺序逐级连接的电压V/频率F转换输入电路、光电耦合隔离电路、频率F/电压V转换电路、以及电压V/电流I转换输出电路。

所述光电耦合隔离电路中的光电耦合器是选用隔离和耐压性能好、输出线性度高、传输速度快的光耦器件。

所述光电耦合隔离电路中的光电耦合器的型号为6N135、6N136、6N137、或6N138。

所述装置设有电流信号输入端和电压信号输入端，其中电流信号输入端是通过在电压V/频率F转换输入电路的输入端设置一个电阻，以便在该电阻上对输入的电流信号进行电压采样而将其转换为电压输入信号。

所述电压V/电流I转换输出电路中设有一个偏置电阻，用于控制其输出的电流信号有两种：0-20mA或4-20mA。

所述电压V/频率F转换输入电路中的V/F转换芯片的型号是AD654，频率F/电压V转换电路中的F/V转换芯片的型号是LM331，电压V/电流I转换输出电路中的V/I转换芯片的型号是AD694。

所述频率F/电压V转换电路中的F/V转换芯片外接有电位器，用于调节转换前后的信号精准度。

众所周知，对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业生产过程的应用测控系统，采用光耦作为隔离器件能够很好地实现弱电和强电的隔离，实现抵抗交流电网干扰和电磁辐射干扰的目的。本发明工业控制信号的隔离转换装置也是以光信号为媒介、采用光耦来实现电信号的隔离、耦合与传递，并使其输入与输出两端实现电气上的完全隔离；而且，本发明装置选用高性能的光耦，使得装置除了抗干扰性能强以外，还具有信号传输速度快、线形精度好、隔离耐压高的优异综合性能。

由于光电耦合器受到器件结构和性能的局限，存在有非线性的工作区域，其直接用于隔离传输模拟量电信号时精度较差；而且在较强的电磁场中传输时，模拟量电信号很容易受到电磁辐射干扰和交流电网干扰。本发明装置的主要创新之处是采用电压频率转换VFC方式，将生产现场传感器输出的模拟量电信号(例如电压或电流信号)采用电压频率转换器芯片将其转换成以脉冲序列形式的频率信号，然后经由光耦隔离输出信号。再在主机侧，通过一个频率电压转换电路将脉冲序列的频率信号还原成模拟电信号。这样，由于光耦隔离的是开关形式的数字信号，不仅在隔离传输过程中，具有很好的抗电磁辐射干扰和交流电网干扰的性能，而且，还可以很好地消除光耦器件的非线性影响。这种简单易行、切实有效的隔离传输脉冲序列电信号的方式，使本发明装置具有电路结构简单，工作可靠，成本较低、线形精度高、体积小巧和使用方便的特点。

采用光耦隔离数字信号设计控制系统时，光电耦合器的传输特性，即传输速率或响应速度，往往成为制约系统最大数据传输速率的决定因素。在许多总线架构的工业测控系统中，为了防止各模块之间的相互干扰，同时不降低传输波特率，通常采用高速、线性光耦来实现各个控制模块之间的相互隔离。目前，常用的高速、线性光耦的产品信号有6N135、6N136、6N137、6N138。虽然，目前的高速、线性光耦价格还比较高，导致系统的设计成本提高。但是，随着微电子技术的迅速发展，光耦器件的价格下降，越来越便宜而物美价廉将是这些高性能光耦的发展趋势。

总之，本发明装置的技术效果是很好地解决了现有工业控制信号传输装置存在的抗电磁干扰能力差、线性精度差、传输速度慢、体积大和安装复杂的许多问题。

附图说明

图1是本发明工业控制信号的隔离转换装置的控制电路结构方框图。

图2是本发明工业控制信号的隔离转换装置的控制电路的电原理图。

图3是本发明工业控制信号的隔离转换装置的控制电路的另一电原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明工业控制信号的隔离转换装置的控制电路，包括：顺序逐级连接的电压V/频率F转换输入电路、光电耦合隔离电路、频率F/电压V转换电路、以及电压V/电流I转换输出电路。其中，电压V/频率F转换输入电路将输入信号转换为频率信号，然后进行光电耦合隔离，再由后级的F/V转换电路将频率信号转换为电压信号，再由V/I转换输出电路将电压信号转换为电流信号输出。因为是各级电路逐一进行信号传输，能够保证信号不失真地传输，即保证信号的一致性，并使输出信号的精度和稳定性都得到提高。该装置的控制电路采用表面贴装型印制板的模块化结构，体积小，再用金属外壳注塑封装，能够增强该装置的抗电磁干扰和电网干扰，防尘，防震的特点。

本发明装置的工作原理是：输入信号在第一级电路由V/F转换芯片将电压信号转换为频率信号。第二级电路利用线性、高速光电耦合器进行隔离传送。因为采用输出线性好、精度高，传输速度快，隔离和耐压参数高的光电耦合器(推荐型号为6N135、6N136、6N137、或6N138)，能够实现频率的平稳传送和线性一致。第三级电路再由F/V转换芯片将频率信号转换为电压信号，使其转换的电压与其频率成正比。第四级电路由V/I转换芯片将电压信号转换为电流信号：0-20mA或4-20mA，同时保持电压V与输出电流I的比例关系一致。

参见图2，介绍本发明装置的具体实施例电路：将输入的电流信号4-20mA施加在两个输入端子J2、J3上，经由电阻R1将该电流信号转换为电压信号。经过V/F转换芯片U1(实施例型号为AD654)时，则将该电压信号转换为同电位的脉冲频率信号。再将脉冲频率信号经过光电耦合器OP1(实施例型号为6N136)进行隔离、传输，然后，再送至F/V转换芯片U2(实施例型号为LM331)，由U2芯片将脉冲频率信号转换为同电位的电压信号。该U2芯片转换完毕后，又将电压信号送至V/I转换芯片U3(实施例型号为AD694)。由该U3芯片将电压信号进行电路处理后，输出0-20mA或4-20mA两种标准的工业控制信号。

本发明装置也可以直接输入0-10V电压信号，其具体实施例电路参见图3：

将输入的电压信号0-10V直接施加在V/F转换芯片U1的两个输入端子J2、J3上，经过U1芯片(实施例型号为AD654)时，则将该电压信号转换为同电位的脉冲频率信号。再将脉冲频率信号经过光电耦合器OP1(实施例型号为6N136)进行隔离、传输，然后，再送至F/V转换芯片U2(实施例的型号为LM331)，由U2芯片将脉冲频率信号转换为同电位的电压信号。该U2芯片转换完毕后，又将电压信号送至V/I转换芯片U3(实施例型号为AD694)。由该U3芯片将电压信号进行电路处理后，输出0-20mA或4-20mA两种标准的工业控制信号。

可以看出，上述图2和图3的两个电原理图几乎完全相同，其区别只是输入端是直接连接在U1芯片的两个端子上，还是将输入信号先施加在两个输入端，再藉由连接该两端的一个电阻R1进行电压采样而将该电流信号转换为电压信号。

本发明装置在V/I转换输出电路的芯片U3中设有一个偏置电阻R3，用于控制其输出的两种不同电流信号：0-20mA或4-20mA。在F/V转换电路中的F/V转换芯片U2上设置有电位器RVL，用于调节该芯片转换前后的信号误差或精准度。

本发明的控制电路是安装在表面贴装型的印刷电路板PCB上，再将PCB电路板放置在金属外壳内，引出引线装置后，进行模块的注塑封装和SMD表面贴装工艺，完成该工业控制信号隔离转换模块装置的整个产品的生产过程。

本发明装置能够实现工业控制信号的隔离传输，输入的工业控制信号可以是下述两种信号中的任意一种：电流信号：4-20mA，电压信号0-10V，均可实现隔离输出。其隔离耐压达到3000VDC，能够很好地实现抵抗电磁干扰和对信号进行线性、高速传输的性能。

本发明装置已经试制出若干样品，并进行了实施试验，实施例样品的输出管脚有两种电流输出信号的方式：0-20mA或4-20mA。

实施例样品的精度如下：将接入的电流或电压信号转换为同电位的频率信号的转换电路芯片能够减少电路损耗，保证传送的线性精度。该低损耗芯片U1的工作速率为500KHz、转换的线性精度为0.02％。采用高速光耦进行光电传输隔离，避免了干扰的影响和信号的传送精度偏差，其中光电耦合器OP1的传输速度为1MBit/s、共模抑制比为10KV/us，能够保证隔离传输的线性精度。F/V转换芯片U2的线性精度为0.01％，使得隔离后的信号误差减少。V/I转换芯片U3的输出电流误差为0.002％，能保证整个装置控制电路的输出精度和整体线性度的误差很小。

Claims (7)

1、一种工业控制信号的隔离转换装置，该装置为金属外壳注塑封装的结构，以增强其抗电磁干扰、防尘、抗震的性能；其特征在于：所述装置的控制电路包括：顺序逐级连接的电压V/频率F转换输入电路、光电耦合的频率隔离电路、频率F/电压V转换电路、以及电压V/电流I转换输出电路。

2、根据权利要求1所述的工业控制信号的隔离转换装置，其特征在于：所述光电耦合隔离电路中的光电耦合器是选用隔离和耐压性能好、输出线性度高、传输速度快的光耦器件。

3、根据权利要求1或2所述的工业控制信号的隔离转换装置，其特征在于：所述光电耦合隔离电路中的光电耦合器的型号为6N135、6N136、6N137、或6N138。

4、根据权利要求1所述的工业控制信号的隔离转换装置，其特征在于：所述装置设有电流信号输入端和电压信号输入端，其中电流信号输入端是通过在电压V/频率F转换输入电路的输入端设置一个电阻，以便在该电阻上对输入的电流信号进行电压采样而将其转换为电压输入信号。

5、根据权利要求1所述的工业控制信号的隔离转换装置，其特征在于：所述电压V/电流I转换输出电路中设有一个偏置电阻，用于控制其输出的电流信号有两种：0-20mA或4-20mA。

6、根据权利要求1所述的工业控制信号的隔离转换装置，其特征在于：所述电压V/频率F转换输入电路中的V/F转换芯片的型号是AD654，频率F/电压V转换电路中的F/V转换芯片的型号是LM331，电压V/电流I转换输出电路中的V/I转换芯片的型号是AD694。

7、根据权利要求1所述的工业控制信号的隔离转换装置，其特征在于：所述频率F/电压V转换电路中的F/V转换芯片外接有电位器，用于调节转换前后的信号精准度。

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