CN102207740A - 隔离型多路4-20mA电流信号输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，包括：PWM模块,用于产生与MCU控制值相对应的PWM波形；隔离整形模块，用于隔离所接收到的PWM信号以及恢复PWM信号波形；滤波模块，用于接收到的PWM信号滤波后变为直流电压；V/I变换模块，用于将直流电压变为电流信号输出；AC/DC电源模块，用于向隔离整形模块、滤波模块和V/I变换模块供电。本发明通过采用PWM输出和RC滤波实现了数模转换，具有12位精度；使用隔离整形模块实现了PWM信号隔离以及波形恢复；V/I转换模块不仅实现了电流稳定输出；AC/DC电源模块实现了多路电流输出的电源隔离，并且提供稳定的电压。

Description

隔离型多路4-20mA电流信号输出电路

技术领域

本发明涉及一种隔离型多路4-20mA电流信号输出电路。

背景技术

工业应用中普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等；另外电物理量(简称电量)，例如电流、电压、功率、频率等，都需要转换成标准模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛采用的标准模拟量电信号是用4~20mA直流电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA，此电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯，符合防爆要求。下限为4mA，当环路电流降为0时表示线路不通，实现断线检测功能。

当某个测量仪表（设备）有多个测量值需通过电流信号输出时，就必须在该仪表（设备）中实现多路4~20mA电流信号输出。实现多路4~20mA电流信号输出主要有三种办法。

第一种是不共地型。所谓共地，即当电流输出信号在采样电阻产生多个压降，这些压降的参考电平是否为同一电平，如果是即为共地，否则为不共地。不共地型电路简单，但对电流信号采集设备要求较高，必须是多通道隔离的采集设备或者多个单通道采集设备。

第二种是共地型。共地型电路构思巧妙，且对电流信号采集设备要求不高，普通不带通道隔离的采集设备即可连接，性价比较高。

第三种隔离型。隔离型电路在增加了信号隔离和电源隔离，增强了设备可靠性，避免了信号的相互干扰，成本较高，但加强了系统可靠性，即使当某一路电流信号受干扰、甚至损坏时，不会影响其他电流信号，适合环境恶劣、可靠性高的应用场合。

申请号为02119400.9的专利申请公开了“电流输出电路”。该发明专利提供了一种电流输出电路，适用于数字模拟转换器中，根据数字控制信号产生相应电流。但该专利未提及多路电流信号输出的解决方案。

申请号为93246411.4的专利申请公开了“低功耗恒流两线制电压、电流变送器”。该实用新型专利提供一种用于将传感器的微弱电压变换成可以远距离传送的电流信号的变送装置。该方案实用性不强，且专利未提及多路电流信号输出的解决方案。

申请号为20081008817.6的专利申请公开了“两线制变送器”。该发明新型专利用于通过两条传输线从外部电路接收电源并且基于传感器测量值传输电流信号的两线制变送器，特点是在最大电流消耗暂时超过输出电流的情况下也能操作，但其电路构造复杂，实用性不强，且专利未提及多路电流信号输出的解决方案。

申请号为200920250130.5的专利申请公开了“智能两线制电流变送模块”。该实用新型专利特点是由微处理器、外部电阻、采样模块、按键输入及显示输出模块等组成，采用AD421芯片实现电流信号输出，优点是精度高、信号稳定，但由于使用专用电路，成本较高，且专利未提及多路电流信号输出的解决方案。

由此可见，上述现有的用标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的用标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的用标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合合理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，能够改进一般现有的标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案，实现多路电流信号输出，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案存在的缺陷，而提供一种新型结构的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，所要解决的技术问题是使其支持多路电流信号输出、隔离型的电流信号输出电路，具有精度高、稳定性好和可靠性高等优点，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于包括：

PWM模块, 用于产生与MCU控制值相对应的PWM波形；

隔离整形模块，用于隔离所接收到的PWM信号以及恢复PWM信号波形；

滤波模块，用于将接收到的PWM信号滤波后变为直流电压；

V/I变换模块，用于将直流电压变为电流信号输出；

AC/DC电源模块，用于向隔离整形模块、滤波模块和V/I变换模块供电。

前述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其中所述的PWM模块包括单片机，所述单片机用于输出PWM信号，所述单片机设置有多个定时器。

前述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其中所述的隔离整形模块包括信号隔离电路和信号整形电路，所述信号隔离电路包括高速光电耦合器以及分别与高速光电耦合器相连接的R1和R2，所述信号整形电路包括单8通道数字控制模拟电子开关，所述信号整形电路用于整型和传输PWM信号。

前述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其中所述的V/I变换模块包括运算放大器以及与所述运算放大器相连接的第一三极管、第二三极管和第六电阻。

前述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其中所述的滤波模块包括分压电路、滤波电路以及和所述滤波电路相连的跟随电路，所述分压电路用于调整跟随电路的输出电压。其中本发明的滤波模块，将数字信号变换为模拟电压信号，再接入运算放大器组成的跟随电路中，增强了电压信号的驱动能力，在所述滤波模块中设置有电阻分压电路，可调整跟随电路的输出电压。

前述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其中所述的滤波电路为RC滤波电路。

前述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其中所述的AC/DC电源模块包括：

AC/DC转换模块，用于将220V、50Hz交流电压变换为24V直流电压；

直流电压变换芯片，用于将直流电压稳定在5V。

借由上述技术方案，本发明隔离型多路4-20mA电流信号输出电路至少具有下列优点：

本发明通过采用PWM输出和RC滤波实现了数模转换，具有12位精度；使用隔离整形模块实现了PWM信号隔离以及波形恢复；V/I转换模块不仅实现了电流稳定输出；AC/DC电源模块实现了每路电流输出的电源隔离，并且提供稳定的电压；本发明的电路设计巧妙、性价比高、稳定性好、可靠性高，适合推广应用。

综上所述，本发明特殊结构的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，支持多路电流信号输出、隔离型的电流信号输出电路。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且与现有的标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案相比，具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1为本发明隔离型多路4-20mA电流信号输出电路的原理框图；

图2为本发明中PWM信号隔离前后波形对比图。

图3为本发明隔离型多路4-20mA电流信号输出电路的原理图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1、图2、图3所示，本发明较佳实施例的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其主要包括：

PWM模块,用于产生与MCU控制值相对应的PWM波形；

隔离整形模块，用于隔离所接收到的PWM信号以及恢复PWM信号波形；

滤波模块，用于将接收到的PWM信号滤波后变为直流电压；

V/I变换模块，用于将直流电压变为电流信号输出；

AC/DC电源模块，用于向隔离整形模块、滤波模块和V/I变换模块供电。

如图1所示，MCU将控制值传送给PWM模块，控制其占空比，PWM信号经隔离整形模块、滤波模块滤波后变为直流电压，再经V/I变换模块将电压变为电流，电压值和电流值成线性关系，AC/DC电源模块负责向隔离整形模块、滤波模块、V/I变换模块供电，实现电源隔离。

本发明的PWM模块包括单片机U1，其内部包含16位定时器Timer_B，单片机实现PWM输出功能，所述单片机为16位低功耗单片机，内部资源丰富，硬件资源包括：2KB RAM、60KB程序FLASH、256B信息FLASH、8通道12位A/D、48个I/O口（其中16个可以用于中断）、1个16位WDT、1个16位Timer_A(3个捕获/比较寄存器)、1个16位Timer_B（7个捕获/比较寄存器）等。本发明中使用Timer_B作为PWM发生器，单片机U1第37~42引脚可输出6路PWM信号，第37引脚输出第一路PWM信号PWM1。

本发明的隔离整形模块包括信号隔离电路和信号整形电路，信号整形电路用于整型和传输PWM信号，信号隔离电路包括高速光电耦合器U2以及分别与高速光电耦合器U2相连接的第一电阻R1和第二电阻R2，高速光电耦合器U2可以实现信号隔离。高速光电耦合器U2第2引脚接第一电阻R1，第3引脚连接PWM1信号。第8引脚接5V直流电源，第6引脚接第二电阻R2，第5引脚接地。

如图2所示，1为波形A，2为波形B，当PWM信号经过高速光电耦合器U2，虽然实现了信号隔离，但信号上升沿和下降沿非常陡峭，波形B为PWM信号经过隔离后产生了变形，其上升沿、下降沿不再陡峭，该波形会影响后续滤波效果，进而影响了数模转换的精度，为了提高数模转换的精度，本发明在隔离整形模块中设计了信号整形电路，本发明在隔离整形模块中设计了信号整形电路，所述信号整形电路包括单8通道数字控制模拟电子开关U3，通过单8通道数字控制模拟电子开关U3进行整形，将波形B还原为波形A，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。当INH输入端为高电平时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。本设计中单8通道数字控制模拟电子开关U3第6、第9、第10、第13引脚接地，第14引脚接V5，第11引脚接U2的输出端（第6引脚），第3引脚为U3输出端，经过整形的信号由此输出, 单8通道数字控制模拟电子开关U3来整形信号波形，使其上升沿、下降沿恢复原状。

本发明的滤波模块包括分压电路、滤波电路以及和所述滤波电路相连的跟随电路，所述分压电路用于调整跟随电路的输出电压，其中本发明的滤波电路为由R3、C9组成的RC滤波电路，滤波后的PWM1信号变为直流电压信号，其电压值V大小遵从下列公式：

V = V5 * Ton / T

其中Ton / T为PWM1占空比，V5为24V经过直流电压变换芯片输出的直流电压。电压信号V再经过由运算放大器U4组成的跟随电路，增强其驱动能力。电阻R4、R5组成了电阻分压电路，可调整跟随电路的输出电压。经过分压的接入V/I变换模块中的运算放大器U4B中，V/I变换模块包括运算放大器U4B，三极管Q1、Q2和电阻R6，根据运算放大器虚短虚断特性可知，三极管Q1、Q2实现了电流放大。

本发明的AC/DC电源模块由H1 、C4、C5组成，H1为AC/DC转换模块，可将220V、50Hz交流电压变换为24V直流电压，C4、C5为电源滤波电容。24V直流电压负责为运算放大器U4和电流输出信号供电。24V直流电压经过直流电压变换芯片U5后将直流电压V5稳定在5V，直流电压V5向高速光电耦合器U2和单8通道数字控制模拟电子开关U3供电，C6、C7、C8为滤波电容。由于H1中包含变压器，所以电流输出电路的供电系统相互隔离，且和MCU供电回路也隔离，进而实现了电源隔离。

上述如此结构构成的本发明隔离型多路4-20mA电流信号输出电路的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于包括：

PWM模块,用于产生与MCU控制值相对应的PWM波形；

隔离整形模块，用于隔离所接收到的PWM信号以及恢复PWM信号波形；

滤波模块，用于将接收到的PWM信号滤波后变为直流电压；

V/I变换模块，用于将直流电压变为电流信号输出；

AC/DC电源模块，用于向隔离整形模块、滤波模块和V/I变换模块供电。

2.根据权利要求1所述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于：所述的PWM模块包括单片机，所述单片机用于输出PWM信号，所述单片机设置有多个定时器。

3.根据权利要求1所述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于：所述的隔离整形模块包括信号隔离电路和信号整形电路，所述信号隔离电路包括高速光电耦合器以及分别与高速光电耦合器相连接的R1和R2，所述信号整形电路包括单8通道数字控制模拟电子开关，所述信号整形电路用于整型和传输PWM信号。

4.根据权利要求1所述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于：所述的V/I变换模块包括运算放大器以及与所述运算放大器相连接的第一三极管、第二三极管和第六电阻。

5.根据权利要求1所述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于：所述的滤波模块包括分压电路、滤波电路以及和所述滤波电路相连的跟随电路，所述分压电路用于调整跟随电路的输出电压。

6.根据权利要求1所述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于：所述的滤波电路为RC滤波电路。

7.根据权利要求1所述的隔离型多路4-20mA电流信号输出电路，其特征在于：所述的AC/DC电源模块包括：AC/DC转换模块，用于将220V、50Hz交流电压变换为24V直流电压；直流电压变换芯片，用于将直流电压稳定在5V。

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