CN101588180B - 一种单口线变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单口线变换电路。包括：RC滤波单元、隔离电路单元、输出放大电路单元及跳线方式输出选择单元；RC滤波单元、隔离电路单元与输出放大电路单元依次连接；输出放大电路单元包括：电流串联负反馈电路单元、电压并联负反馈电路单元及模拟量输出单元；隔离电路单元与跳线方式输出选择单元的插针1端连接，电流串联负反馈电路单元与跳线方式输出选择单元的插针2端连接，电压并联负反馈电路单元与跳线方式输出选择单元的插针3端连接；模拟量输出单元分别与电流串联负反馈电路单元及电压并联负反馈电路单元连接。本发明通过跳线选择电流、电压和开关量等模拟量输出方式，具有占用口线少、可选择多种输出方式、低成本、精度高等优点。

Description

一种单口线变换电路

技术领域

本发明涉及模拟量输出电路领域，特别涉及一种单口线变换电路。

背景技术

模拟量输出电路在工业电子产品中有着广泛的应用，当前主要以使用各大半导体厂商提供的集成D/A芯片为主。使用集成D/A芯片实现模拟量输出，需要使用多个口线与D/A芯片通讯，配置寄存器，发送命令等，最常用的SPI总线也需要有4根数据线；另外，集成D/A芯片成本较高；最重要的是D/A芯片的输出类型单一(电流、电压、开关量需要各自的D/A芯片输出)。

发明内容

为了克服现有模拟量输出电路存在的使用集成D/A芯片实现模拟量输出，需要使用多个口线与D/A芯片通讯，配置寄存器，发送命令等，最常用的SPI总线也需要有4根数据线；另外，集成D/A芯片成本较高；最重要的是D/A芯片的输出类型单一的技术问题，本发明提供了一种单口线变换电路。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：所述单口线变换电路包括：单口线PWM输入单元、光耦隔离单元、扩流电路单元、减法器电路单元、RC滤波单元、隔离电路单元、输出放大电路单元、跳线方式输出选择单元、供电电源和参考电源；所述单口线PWM输入单元、光耦隔离单元、扩流电路单元、减法器电路单元、RC滤波单元、隔离电路单元与输出放大电路单元依次连接；所述输出放大电路单元包括：电流串联负反馈电路单元、电压并联负反馈电路单元及模拟量输出单元；所述隔离电路单元与跳线方式输出选择单元的插针1端连接，所述电流串联负反馈电路单元与跳线方式输出选择单元的插针2端连接，电压并联负反馈电路单元与跳线方式输出选择单元的插针3端连接；所述模拟量输出单元分别与电流串联负反馈电路单元及电压并联负反馈电路单元连接。所述RC滤波单元包括：第五电阻、第一电容器、第二电容器及第一跳线帽；所述第五电阻、第一电容器及第二电容器组成一阶低通有源滤波器；所述第一跳线帽的插针1端与第五电阻的负端连接，所述第一跳线帽的插针3端分别与第一电容器及第二电容器的正端连接，所述第一跳线帽的插针2端为空。所述电流串联负反馈电路单元与电压并联负反馈电路单元通过第二跳线帽和第三跳线帽集成为一体，包括：第六电阻、第七电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、运算放大器；所述第二跳线帽的插针1端与第六电阻的负端及运算放大器的正输入端连接，所述第二跳线帽的插针2端与第七电阻的负端连接，所述第二跳线帽的插针3端与第十二电阻的正端连接；所述第三跳线帽的插针1端与运算放大器的负输入端连接，所述第三跳线帽的插针2端分别与第九电阻的正端及第十三电阻的正端连接，所述第三跳线帽的插针3端分别与第十电阻的正端及第十一电阻的正端连接；当第一跳线帽、第二跳线帽、第三跳线帽的跳线均接在插针1-3端时，第六电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻及运算放大器组成电流并联负反馈电路，模拟输出为电流输出；当第一跳线帽的跳线接在1-3端，第二跳线帽、第三跳线帽的跳线均接在插针1-2端时，第九电阻、第十三电阻及运算放大器组成电压并联负反馈电路，模拟输出为电压输出；当第一跳线帽、第二跳线帽、第三跳线帽的跳线均接在插针1-2端时，RC滤波单元不起作用，模拟输出为开关量输出。所述模拟量输出电路单元包括：三极管、场效应管、第三电容器及瞬态抑制二极管；所述三极管的基极和场效应管的栅极通过第八电阻与运算放大器的输出端连接，三极管的发射极与所述场效应管的漏极连接，三极管的集电极和场效应管的源极通过第十四电阻与瞬态抑制二极管连接；第十四电阻的正端与第十一电阻的负端连接，第十四电阻的负端与第十二电阻及第十三电阻的负端连接；所述第三电容器与瞬态抑制二极管并联；瞬态抑制二极管的正端为模拟输出正，负端为模拟输出负。所述隔离电路单元为一级电压跟随器。所述光耦隔离单元为单光耦合器，PWM信号与单光耦合器的1脚连接，单光耦合器的2脚通过限流第一电阻接地。所述扩流电路单元为一级电压跟随器。所述减法器电路单元的正输入与单光耦合器的3脚连接，减法器电路单元的负输入端与单光耦合器的4脚连接。

所述单口线PWM输入单元由处理器完成，输出频率固定、占空比可调的PWM方波信号。

减法器电路单元输出的PWM占空比与单光耦合器输入端的PWM占空比相同。

本发明的有益的技术效果是：本发明仅使用一根支持PWM功能的口线即可，输出不同占空比的PWM信号，来控制变换电路输出模拟信号，实现了单口线输出PWM信号，经过变换电路输出电流电压开关量等模拟信号的功能，在节约处理器口线的同时，输出精度上达到了接近11位D/A芯片的水平，可充分满足工业现场对模拟量输出信号的要求，并且本发明通过跳线帽可以选择输出方式，解决了D/A芯片输出形式单一的问题。由于本发明的电路设计主要采用运放与精密电阻等元件，因此与同样精度的D/A芯片比较，有很明显的成本优势。

附图说明

图1是本发明实施例的单口线变换电路结构框图；

图2是本发明实施例的单口线变换电路具体结构框图；

图3是本发明实施例的单口线变换电路具体电路图；

图4是本发明实施例的单口线变换电路跳线帽选择输出方式的跳线方法示意图；

图5是本发明实施例的单口线变换电路的单口线PWM输入、光耦隔离电路、扩流电路、减法器电路的局部放大电路图；

图6是本发明实施例的单口线变换电路的各级PWM信号示意图；

图7是本发明实施例的单口线变换电路的RC滤波、电压跟随器隔离电路、输出放大电路的局部放大电路图；

图8是本发明实施例的单口线变换电路的电流输出等效电路；

图9是本发明实施例的单口线变换电路的电压输出等效电路；

图10是本发明实施例的单口线变换电路的开关量输出等效电路；

图11是本发明实施例的单口线变换电路的输出校准原理；

图12是本发明实施例的单口线变换电路的满量程线性度验证曲线；

图13是本发明实施例的单口线变换电路的低压段线性度验证曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

本发明基于PWM信号经低通滤波后得到直流电平的原理。由处理器的一个口线输出PWM信号，取PWM信号的频率选用f，经过光耦隔离后进入模拟电路，使用减法器对基准电压进行转换，并产生模拟电路中的PWM信号，此信号的占空比与处理器输出的PWM的占空比相同。

此时让PWM信号经过RC低通滤波器，RC滤波电路的转折频率选用fc，对PWM信号进行傅立叶变换后此信号可以表示为：直流分量+谐波分量。

当选择的频率满足f＞＞fc时，PWM信号经过傅立叶变换后的谐波分量被过滤掉，仅剩下直流分量通过。通过调整PWM信号的占空比，可以得出不同电平的直流分量，此直流分量经过电压跟随器后得到电压Vin进入到输出放大电路。

此电路用三个跳线来选择输出方式，当选择电压输出时，Vin被放大电路放大11倍并最终在模拟输出端口输出，使用时，在模拟输出端口的正负之间，可以测量到输出电压。当选择电流输出时，Vin被衰减10倍并加在取样电阻10欧姆的两端，使用时将负载串接在模拟输出的正负端口，就可以得到流过10欧姆的电流。开关量输出与电压输出的方式一致，区别在于把PWM控制变成高低电平控制，去掉RC滤波电路，所以当开关量输出有效时，模拟输出端口会输出电压类型的最高值，当开光量输出无效时，模拟输出端口会输出电压类型的最低值。

本发明一优选实施例是：

请参照图1，图1是本发明实施例的单口线变换电路结构框图。本实施例中的转换电路的输入信号是单口线产生的PWM方波，输出信号经过转换完成的0～20mA电流信号，0～20V的电压信号，开关量信号，根据需要可以使用跳线帽选择输出方式。转换电路的供电电源需要+24V与-5V，参考电源需要+2.5V。

请参照图2、图3，图2是本发明实施例的单口线变换电路具体结构框图；图3是本发明实施例的单口线变换电路具体电路图。本实施例中的单口线变换电路实现电流、电压和开关量输出的整体电路图，其中分为PWM输入电路、光耦隔离电路、电压跟随器扩流电路、减法器电路、RC滤波电路、电压跟随器隔离电路、输出放大电路和模拟量输出电路。电源包括供电电源+24V和-5V，参考电源+2.5V。跳线帽共三组，S1、S2、S3可以通过跳线帽选择模拟量输出的方式。

请参照图4，图4是本发明实施例的单口线变换电路跳线帽选择输出方式的跳线方法示意图。本实施例的跳线帽选择输出方式的跳线方法，共有三组跳线帽S1、S2、S3，每个跳线帽有三个插针，标号是1、2、3，其中跳线定义是1在中间，2、3在两边，跳线帽可以选择跳在1-2上或是1-3上，从而选择不同的电路连接方式。AQ设置的表格中有三种输出方式的跳线方法。

请参照图5、图6，图5是本发明实施例的单口线变换电路的单口线PWM输入、光耦隔离电路、扩流电路、减法器电路的局部放大电路图，图6是本发明实施例的单口线变换电路的各级PWM信号示意图。本实施例的单口线PWM输入电路由处理器完成，PWM即脉宽调制，是一种输出频率固定，但是占空比可以调节的方波信号。

光耦隔离电路：

由于此电路属于模拟电路，处理器电路属于数字电路，因此需要使用光耦进行隔离，保障电路的稳定性。PWM信号接在单光耦的1脚上，即控制二极管的正向，二极管的负端即单光耦的2脚通过限流的300欧姆电阻接地。所以当PWM信号处于高电平时，光耦处于导通状态，当PWM信号处于低电平时，光耦处于截止状态。

扩流电路：

由图5得出，当光耦导通时，V0点的电压会经过光耦内部的光电二极管，直接加在电阻R3上，并在R3上产生对地的电流，因此这就需要V0点能够提供电流。又因为+2.5V电源的输出电流不能够同时供给多组AQ电路，所以在此处加入一级电压跟随器起到扩流的作用，这样V0点电流完全由运放自身提供。

减法器电路：

V0为减法器负向端的输入信号，V1点为减法器的正向端输入信号，V2点是减法器的输出信号。由于光耦输入的是PWM信号，因此减法器的输出V2点会得到一个占空比相同的PWM信号。

当PWM为低电平时，光耦截止，

V0＝2.5V；..............................................................(1)

V1＝0V；................................................................(2)

V2＝-(R4/R2)*V0＝-0.25V.........................................(3)

当PWM为高电平时，光耦导通，光耦内部的饱和压降为0.3V，

V0＝2.5V................................................................(4)

V1＝V0-0.3V＝2.2V....................................................(5)

V2＝-(R4/R2)*V0+(1+R4/R2)*V1＝2.17V...............(6)

因此在V2点可以得到一个高电平为2.17V，低电平为-0.25V的PWM方波，且V2点PWM的占空比与光耦输入端的PWM占空比相同。

请参照图7，图7是本发明实施例的单口线变换电路的RC滤波、电压跟随器隔离电路、输出放大电路的局部放大电路图。本实施例中RC滤波电路是由R5与C1、C2组成的一阶低通有源滤波器，RC滤波的输入信号是V2，输出信号是V3，由上图得出，V2点得到的是高电平为2.17V，低电平是-0.25V的PWM方波。将高电平设为V2H，低电平设为V2L，占空比设为q。根据一阶低通滤波器的特性，

V3＝V2H*q+V2L*(1-q)...............................................(7)

其代表意义是V3为V2的面积代数和。由于V2H与V2L固定，所

以调整占空比q就可以调整V3。例如当q等于30％时，V3＝0.476V；当q等于70％时，V3＝1.444V。

电压跟随器隔离电路，主要是为了平衡后级输出放大电路的阻抗，以及避免后级电阻对RC滤波电路的影响。V3点信号经过一级电压跟随器后输出V4，此点信号与V3点信号相同。

输出放大电路是使用运放控制NMOS管的导通，使用负反馈调节输出。根据输出类型的不同采用不用的计算方式：

电流输出时，S2、S3的跳线接在1-3端，组成了电流串联负反馈电路。

电压输出时，S2、S3跳线接在1-2端，组成电压并联负反馈电路。

开关量输出时，S2、S3跳线与电压输出的跳线方式相同，区别是在RC滤波处的S1跳在1-2上，取消RC滤波。此时光耦输入端使用高电平或低电平控制，等效于PWM输出占空比为100％和0％。

请参照图8，图8是本发明实施例的单口线变换电路的电流输出等效电路。本实施例中的电流输出的取样电阻是V10与V11之间的10欧姆，运放与R10、R11、R12、R6构成了电流并联负反馈电路，V10、V11的电压由V4点电压经过运算放大器得到。使用时在模拟输出正与模拟输出负之间接入负载，就可以得到10欧姆上的电流。所以

I＝(V10-V11)/10.......................................................(8)又根据运放的虚短虚断得到：

(V11-V4)/(R6+R12)＝(V11-V5)/R12.......................(9)

V10/(R10+R11)＝V6/R10...........................................(10)

由于V5与V6是同一个运放的正向端输入电压与负向端输入电压，根据运放的特性，

V5＝V6....................................................................(11)综合是以上几个公式可以得出，

V10-V11＝V4/10........................................................(12)所以流过10欧姆的电流值为，

I＝(V10-V11)/10＝V4/100..........................................(13)

表达式的含义是把V4点的电压衰减10倍，加在10欧姆电阻上，然后从10欧姆上取电流。由于V4点电压范围是-0.25V～2.17V，所以10欧姆取样电阻上可以得到的电流范围是-2mA～21.7mA。

请参照图9，图9是本发明实施例的单口线变换电路的电压输出等效电路。本实施例的电压输出点在V11，同样是V4点的电压通过运放电路输出的电压，运放与R13、R9构成了电压串联负反馈电路。运放的正向输入V5＝V4，运放与R9、R13构成了同向比例放大电路，所以：

V11＝(1+R13/R9)*V5＝11*V4..................................(14)

表达式的含义是将V4点的电压放大11倍在V11点输出，由于V4点电压范围是-0.25V～2.17V，所以V11点输出的电压范围是-2.75V～23.87V 。

请参照图10，图10是本发明实施例的单口线变换电路的开关量输出等效电路。本实施例的开关量输出与电压输出的输出放大电路相同，区别在于去掉了RC滤波电路，光耦输入信号由PWM信号更改成高低电平信号，此时等效于输入占空比为100％和0％的PWM信号。V5、V4、V3、V2点的信号相同，当光耦出入高电平时，V5＝2.17V，V11点输出23.87V；当光耦输入低电平时，V5＝-0.25，V11点输出-2.75V。

请参照图11，图11是本发明实施例的单口线变换电路的输出校准原理。本实施例中以电压类型的校准为例，模拟输出校准的方法是根据两点确定一条直线的原理，校准零点时光耦输入占空比为30％的PWM，校准满度时光耦输入占空比为70％的PWM，分别记录模拟量输出的值到零点满度寄存器中。设校准曲线为V＝Kq+B，根据零点和满度信号的值，可以求出斜率K与截距B。当需要输出模拟信号时，只需把要输出的值反带回校准曲线中，就可以计算出出需要输出的方波占空比。

反过来讲，只要通过控制单口线输出的PWM的占空比，就可以通过变换电路输出想要得到的电压信号。

电流信号的输出与之同理。开关量输出时不需要RC滤波，只输出电压类型的最高值与最低值，所以不需要校准。

请参照表1及图12、图13，图12是本发明实施例的单口线变换电路的满量程线性度验证曲线；图13是本发明实施例的单口线变换电路的低压段线性度验证曲线。

本实施例以电压为例，使用高精度的6位半完用表测试了120个电压输出点的实际输出值，与理论值比较后得到输出精度为0.1％，考虑到器件的精度以及温度变化对于精密器件的影响，此电路的输出精度可以保证在0.5％以上。由于输出20V时，程序输出码值为20000，所以此变换电路精度可以达到接近11位精度的D/A芯片的水平。

表1：模拟量输出精度验证

说明：DAC理论输出值＝码值/1000；

DAC线性度＝(DAC理论输出值-DAC实际输出值)/满量程。

本实施例的单口线变换电路可以通过跳线选择电流、电压和开关量等模拟量输出方式，具有占用口线少、可选择多种输出方式、低成本、精度高等优点。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种单口线变换电路，其特征在于：所述单口线变换电路包括：单口线PWM输入单元、光耦隔离单元、扩流电路单元、减法器电路单元、RC滤波单元、隔离电路单元、输出放大电路单元、跳线方式输出选择单元、供电电源和参考电源；所述单口线PWM输入单元、光耦隔离单元、扩流电路单元、减法器电路单元、RC滤波单元、隔离电路单元与输出放大电路单元依次连接；所述输出放大电路单元包括：电流串联负反馈电路单元、电压并联负反馈电路单元及模拟量输出单元；所述隔离电路单元与跳线方式输出选择单元的插针1端连接，所述电流串联负反馈电路单元与跳线方式输出选择单元的插针2端连接，电压并联负反馈电路单元与跳线方式输出选择单元的插针3端连接；所述模拟量输出单元分别与电流串联负反馈电路单元及电压并联负反馈电路单元连接。所述RC滤波单元包括：第五电阻、第一电容器、第二电容器及第一跳线帽；所述第五电阻、第一电容器及第二电容器组成一阶低通有源滤波器；所述第一跳线帽的插针1端与第五电阻的负端连接，所述第一跳线帽的插针3端分别与第一电容器及第二电容器的正端连接，所述第一跳线帽的插针2端为空。所述电流串联负反馈电路单元与电压并联负反馈电路单元通过第二跳线帽和第三跳线帽集成为一体，包括：第六电阻、第七电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、运算放大器；所述第二跳线帽的插针1端与第六电阻的负端及运算放大器的正输入端连接，所述第二跳线帽的插针2端与第七电阻的负端连接，所述第二跳线帽的插针3端与第十二电阻的正端连接；所述第三跳线帽的插针1端与运算放大器的负输入端连接，所述第三跳线帽的插针2端分别与第九电阻的正端及第十三电阻的正端连接，所述第三跳线帽的插针3端分别与第十电阻的正端及第十一电阻的正端连接；当第一跳线帽、第二跳线帽、第三跳线帽的跳线均接在插针1-3端时，第六电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻及运算放大器组成电流并联负反馈电路，模拟输出为电流输出；当第一跳线帽的跳线接在1-3端，第二跳线帽、第三跳线帽的跳线均接在插针1-2端时，第九电阻、第十三电阻及运算放大器组成电压并联负反馈电路，模拟输出为电压输出；当第一跳线帽、第二跳线帽、第三跳线帽的跳线均接在插针1-2端时，RC滤波单元不起作用，模拟输出为开关量输出。所述模拟量输出电路单元包括：三极管、场效应管、第三电容器及瞬态抑制二极管；所述三极管的基极和场效应管的栅极通过第八电阻与运算放大器的输出端连接，三极管的发射极与所述场效应管的漏极连接，三极管的集电极和场效应管的源极通过第十四电阻与瞬态抑制二极管连接；第十四电阻的正端与第十一电阻的负端连接，第十四电阻的负端与第十二电阻及第十三电阻的负端连接；所述第三电容器与瞬态抑制二极管并联；瞬态抑制二极管的正端为模拟输出正，负端为模拟输出负。所述隔离电路单元为一级电压跟随器。所述光耦隔离单元为单光耦合器，PWM信号与单光耦合器的1脚连接，单光耦合器的2脚通过限流第一电阻接地。所述扩流电路单元为一级电压跟随器。所述减法器电路单元的正输入与单光耦合器的3脚连接，减法器电路单元的负输入端与单光耦合器的4脚连接。

2.根据权利6所述的单口线变换电路，其特征在于：所述单口线PWM输入单元由处理器完成，输出频率固定、占空比可调的PWM方波信号。

3.根据权利6所述的单口线变换电路，其特征在于：减法器电路单元输出的PWM占空比与单光耦合器输入端的PWM占空比相同。

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