CN101859117A - 模拟量输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟量输出电路，它包括串联连接的光电耦合器、单片机、滤波电路，单片机输出的PWM信号经过滤波电路输出后分别送入电压输出电路和电流输出电路的运算放大器，辅助电源电路包括由第一三极管和基准电压芯片构成的串联稳压电路和硅二极管，串联稳压电路的负电压输出端与硅二极管的正极相连，所述串联稳压电路为单片机和光电耦合器提供+5V稳定电源，硅二极管阴极与电压输出电路和电流输出电路的运算放大器负电源端相连。本发明不仅可输出高精度正负电源的电路，降低产品隔离电源成本，还进一步实现了零点线性输出。

Description

模拟量输出电路

技术领域

本发明涉及一种模拟量输出电路，属于工业自动化领域。

背景技术

在输配电系统中，为方便远程监视和控制，很多电参量需要通过模拟量传输。目前模拟量输出电路从硬件结构上分隔离方式与非隔离方式两种。

其中，隔离方式又可以分为两种：一种是采用高速光电耦合器传输主CPU发出的PWM信号，经滤波电路后通过运算放大器输出；另一种是采用普通光电耦合器传输主CPU控制和数据信号，通过单片机完成解析后输出PWM信号，经滤波电路后通过运算放大器输出。

采用高速光电耦合器传输，具有如下缺点：为保证输出精度，其对高速光电耦合器传输速度要求很高，而传输速度与成本直接相关，故其实际电路成本较高；采用高速光电耦合器传输对主CPU的资源占用很高。而采用常规光电耦合器完成信号传递，虽然单片机的成本远远低于高速光电耦合器，但其输出精度难以满足实际生产需要。

非隔离方式目前的主要问题是对主CPU的资源占用很高，多组输出无法实现负端直接连接，既降低了设计灵活性，又增加系统成本。

模拟量输出电路从辅助电源的设计上区分有正负双电源供电和单电源供电两种：正负双电源设计主要应用于非隔离方式电路，多组输出采用相同辅助电源，运算放大器在零点可以保证线性输出；单电源主要应用于隔离方式电路，多组间采用独立电源，这种单电源供电的优点是模拟量输出电路与主CPU电气隔离，多组负端可以直接连接，其缺点是运算放大器由单电源供电，在零点无法实现线性输出。因此，现有的上述两种隔离方式的模拟量输出电路均无法实现零点线性输出。

发明内容

为克服现有技术上的缺陷，本发明的目的在于提出一种可保证零点线性输出的模拟量输出电路。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种模拟量输出电路，它包括光电耦合器、单片机、滤波电路、电压输出电路、电流输出电路和辅助电源电路，其中：

光电耦合器、单片机和滤波电路串联连接，单片机通过光电耦合器与主单片机通讯，单片机输出的PWM信号经过滤波电路输出后分别送入电压输出电路和电流输出电路的运算放大器的正输入端，分别输出电压和电流信号；

辅助电源电路包括由第一三极管和基准电压芯片构成的串联稳压电路和硅二极管，串联稳压电路的负电压输出端与硅二极管的正极相连；所述串联稳压电路为单片机和光电耦合器供电，硅二极管阴极与电压输出电路和电流输出电路的运算放大器负电源端相连；

光电耦合器为本模拟量输出电路的输入端，电压输出电路和电流输出电路为本模拟量输出电路的输出端。

所述电流输出电路包括第二三极管，电流通过运算放大器驱动该第二三极管输出。

所述辅助电源电路为光电耦合器和单片机提供+5V稳定电源，辅助电源电路为电压输出电路和电流输出电路的运算放大器提供-0.7V的负电源。

所述滤波电路由第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第一电容、第二电容构成。

本发明的设计思路在于：在由基准电压芯片和三极管组成的串联稳压电路中增加一个硅二极管，实现由硅二极管管压降产生的负电压，为输出运算放大器提供正负电源供电，从而解决由于单电源供电而无法保证零点输出线性的问题。

本发明的有益效果在于：

1、采用高稳定度的基准电压芯片、第一三极管和硅二极管组成可以输出高精度正负电源的电路；

2、采用普通运算放大器以正负双电源供电，可使运算放大器零点工作在线性状态；

3、单片机由高精度电压供电，可保证输出PWM信号的幅值精度。

以上三个措施的综合结果保证模拟量输出在零点的线性，从而保证输出全量程线性，在变送输出范围内可达到0.1％的精度。

本发明创新性地将单电源供电电路快速转换为正负双电源供电电路，实现运算放大器零点线性输出，还简化了多组输出电路对辅助电源的需求，大幅度降低产品电源成本，降低了对主CPU的资源占用，简化了程序设计。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理框图；

图2是本发明实施例的电路图；

图3是本发明实施例的软件仿真原理图；

图4和5是本发明实施例的软件仿真波形。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的模拟量输出电路由光电耦合器1、单片机2、滤波电路3、电压输出4、电流输出5和辅助电源6构成，其中光电耦合器1、单片机2和滤波电路3串联连接，滤波电路3输出分成两路，分别输入电压输出电路4和电流输出电路5，辅助电源电路6为光电耦合器1和单片机2提供稳定工作电源，为电压输出电路4和电流输出电路5的运算放大器提供正负双电源，光电耦合器1为本电路的输入端，该模拟量输出电路的输出端有两个，分别是电压输出电路4和电流输出电路5。

参见图2。主CPU发来的控制和数据信号经光电耦合器的芯片U1和U2传输到单片机2，单片机2根据接收到的数据，由7脚输出PWM信号，送入由电阻R5、R6、R7、R8、R9和电容C1、C2构成的滤波电路，然后输入运算放大器U5，短接S1和S2，则由运算放大器U5A驱动T2输出电流信号，短接S3和S4，则由运算放大器U5B直接输出电压。电压输出直接通过运算放大器U5B输出，电流输出则通过由运算放大器U5A和三极管T2以及电阻R12和R10构成的闭环控制输出。U6和T1以及D2组成可以输出0V、+5V和-0.7V(硅二极管管压降)的高精度电源，分别为光电耦合器和单片机提供+5V电源，为运算放大器提供-0.7V负电源。

本电路单片机2采用ST7LITEUS5，该单片机具有12位重装定时器，可以实现高精度的PWM输出，经滤波电路后，通过运算放大器完成模拟量输出，输出范围内的精度可达到0.1％。

辅助电源6在由三极管T1和基准电压芯片U6构成的串联稳压电路的基础上，通过增加硅二极管D2，直接将原有单电源转换为正负电源，就能实现既为单片机U3提供稳定的正电源，保证单片机PWM输出幅值精度，又为运算放大器U5提供必须的负电源，保证运算放大器在零点线性输出。

图3是本实施例的软件仿真原理图，图中，仿真电路由电源正VCC和地GND供电，由三极管T1和基准电压芯片U6构成串联稳压电路，在地GND与负电源VEE之间增加D2，相对地GND，负电源VEE端输出为负电压，运算放大器U5的4脚连接VEE，8脚连接电源正VCC，对运算放大器U5而言，其供电电源为正负双电源，V1为仿真干扰源，电压输出直接通过运算放大器U5B的7脚输出，电流输出由运算放大器U5A驱动三极管T2输出，通过电阻R12采样；XFG1为函数发生器，设定为30Hz的三角波，分别输入运算放大器U5A和U5B的正输入端，RLv为电压输出负载，RLi为电流输出负载；示波器XSC1的A、B、D通道分别测量电源正VCC、电压输出VOUT和信号输入VIN，示波器XSC2的A、B通道分别测量电源正VCC和负电源VEE。

图4为示波器XSC1的测量波形，Channel_A测量的是电源正VCC，可以看到存在大量的纹波，与实际供电电压比较接近；Channel_B为电压输出端VOUT的波形，Channel_D为函数发生器输出VIN的波形，从图中可以看出，在零点上部，VOUT随VIN线性变化，在零点到-692mV段线性变化，超过部分受运算放大器负电源约束，不再线性变化；从仿真图形可以看出，整个电路在大于-692mV输入信号后线性输出。

图5为示波器XSC2的测量波形，主要电源正VCC和负电源VEE的变化趋势，可以看出，虽然电源正VCC上存在大量的纹波，但负电源VEE输出非常稳定，保证了运算放大器负电源供电的可靠性。

Claims (7)

1.一种模拟量输出电路，其特征在于包括光电耦合器(1)、单片机(2)、滤波电路(3)、电压输出电路(4)、电流输出电路(5)和辅助电源电路(6)，其中：

光电耦合器(1)、单片机(2)和滤波电路(3)串联连接，单片机(2)通过光电耦合器(1)与主单片机通讯，单片机(2)输出的PWM信号经过滤波电路(3)输出后分别送入电压输出电路(4)和电流输出电路(5)的运算放大器的正输入端，分别输出电压和电流信号；

辅助电源电路(6)包括由第一三极管(T1)和基准电压芯片(U6)构成的串联稳压电路和硅二极管(D2)，串联稳压电路的负电压输出端与硅二极管的正极相连；所述串联稳压电路为单片机(2)和光电耦合器(1)供电，硅二极管(D2)阴极与电压输出电路(4)和电流输出电路(5)的运算放大器负电源端相连；

光电耦合器(1)为本模拟量输出电路的输入端，电压输出电路(4)和电流输出电路(5)为本模拟量输出电路的输出端。

2.如权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述电流输出电路(5)包括第二三极管(T2)，电流通过运算放大器(U5A)驱动该第二三极管输出。

3.如权利要求2所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述滤波电路(3)由第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)和第一电容(C1)、第二电容(C2)构成。

4.如权利要求2所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述辅助电源电路(6)为光电耦合器(1)和单片机(2)提供+5V稳定电源，辅助电源电路(6)为电压输出电路(4)和电流输出电路(5)的运算放大器提供-0.7V的负电源。

5.如权利要求2所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述电压输出电路和电流输出电路通过短路点实现变换。

6.如权利要求1-5任一项所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述单片机(2)为ST7LITEUS5。

7.如权利要求6所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述基准电压芯片(U6)为TL431。

Images