CN102243503B

CN102243503B - 共地型多路4~20mA电流信号输出电路

Info

Publication number: CN102243503B
Application number: CN 201110084617
Authority: CN
Inventors: 黄皎; 陆晓春; 刘海荣; 任姣; 许晓娟
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: CN102243503A

Abstract

本发明公开了一种共地型多路4~20mA电流信号输出电路，包括：采样模块，用于将输入电压信号进行滤波并传输到MCU模块；MCU模块，用于将采样模块传递的输入信号计算后得到控制值；PWM模块，用于产生与MCU控制值相对应的PWM波形；滤波模块，用于将经过PWM模块的电压信号转换为直流电压；V/I变换模块，用于将经过滤波模块的直流电压转换为4~20mA电流信号输出，使用PWM输出和RC滤波实现了数模转换，避免使用价格昂贵的专用数模转换芯片，并且同样具有12位精度；V/I转换模块不仅实现了电流输出，而且还可使多路电流信号共用同一个参考地；电路设计巧妙、元器件数量较少、成本较低，适合推广应用。

Description

共地型多路4~20mA电流信号输出电路

技术领域

本发明涉及一种共地型多路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，但成本较高。

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，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的共地型多路4~20mA电流信号输出电路，能够改进一般现有的用标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案，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，而提供一种新型结构的共地型多路4~20mA电流信号输出电路，所要解决的技术问题是使其精度高、稳定性好、低成本、支持多路电流信号输出、共地型的电流信号输出电路。，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。依据本发明提出的共地型多路4~20mA电流信号输出电路，包括：

采样模块，用于将输入电压信号进行滤波并传输到MCU模块；

MCU模块，用于将采样模块传递的输入信号计算后得到控制值；

PWM模块，用于产生与MCU控制值相对应的PWM波形；

滤波模块，用于将经过PWM模块的电压信号转换为直流电压；

V/I变换模块，用于将经过滤波模块的直流电压转换为4~20mA电流信号输出。

前述的共地型多路4~20mA电流信号输出电路，其中，所述经过V/I变换模块输出的4~20mA电流信号的通道至多为六路，且能共用地回路。

前述的共地型多路4~20mA电流信号输出电路，其中，所述MCU模块包括单片机，所述MUU模块可根据输入信号大小改变PWM信号的占空比。

前述的共地型多路4~20mA电流信号输出电路，其中，所述滤波模块包括两级RC滤波，由数字信号转换为模拟电压信号，所述模拟电压信号再接入包括运算放大器的跟随电路中。

借由上述技术方案，本发明共地型多路4~20mA电流信号输出电路至少具有下列优点：

使用PWM输出和RC滤波实现了数模转换，避免使用价格昂贵的专用数模转换（DAC）芯片，并且同样具有12位精度；V/I转换模块不仅实现了电流输出，而且还可使多路电流信号共用同一个参考地；电路设计巧妙、元器件数量较少、成本较低，适合推广应用。

综上所述，本发明特殊结构的共地型多路4~20mA电流信号输出电路，其精度高、稳定性好、低成本、支持多路电流信号输出、共地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，且较现有的用标准模拟量电信号来传输模拟量的解决方案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为本发明共地型多路4~20mA电流信号输出电路原理框图；

图2为为本发明实施例1的共地型多路4~20mA电流信号输出电路原理图。

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共地型多路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。

如图1所示， AD采样模块将输入信号滤波后传送到MCU，MCU经计算后将控制值传送给PWM模块，控制其占空比，PWM信号经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。

请参阅图1和图2所示，本发明较佳实施例的共地型多路4~20mA电流信号输出电路包括，采样模块、MCU模块、PWM模块、滤波模块和V/I变换模块，其中：

采样模块，用于将输入电压信号进行滤波并传输到MCU模块；

MCU模块，用于将采样模块传递的输入信号计算后得到控制值；MCU模块包括单片机U0，该单片机U0为16位低功耗单片机，单片机U0采用3.3V直流电压供电，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）、2个USART接口、1个MPY、1个比较器_A、1个温度传感器。AD1、AD2两路信号分别接入单片机U0第59、60引脚，J3为第一路电压输入信号接线端子。输入信号经由R11、C4、C5组成的RC滤波电路和由二极管D1、D2组成的保护电路，接入单片机U0第59引脚，由单片机U0内部的12位ADC模块完成模数转换。MCU模块将测量值转换为PWM模块控制值，改变其占空比。本发明中使用Timer_B作为PWM发生器，单片机U0第37、38引脚可输出PWM1和PWM2信号。PWM1和PWM2信号输出原理一致，以PWM1信号为例，PWM1信号由R3_1、C3_1、 R3_2、C3_2组成的两级RC滤波，滤波后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 = Vcc * Ton / T

其中Ton / T为PWM占空比, Vcc为滤波前交流电压信号，电压信号V由U3运算放大器组成的跟随电路，增强其驱动能力，跟随电路的电压输出信号接入V/I变换模块，完成了电压/电流变换，且实现了电流输出信号可以共用一个参考地，运算放大器U3采用24V直流电压供电。电阻R1_1、R1_2、R1_3、R1_4、R1_5、R1_6、VR1，三极管Q1_1、Q1_2，以及运算放大器U1组成了V/I变换模块，其中R1_1、R1_2、R1_3、R1_4阻值同为100kΩ，R1_5、R1_6阻值为100Ω，可变电阻VR1最大阻值为100Ω。根据运放电路虚短虚断特性可知Vb=Vc，Ve=Vf。由于R1_3、R1_4阻值相同，所以Vd=2Vc。又由于R1_1、R1_2阻值相同，所以Va-Vb=Vb-Vf，变换后Va=2Vb-Vf=2Vc-Vf=Vd-Vf=Vd-Ve。流经电阻R1_6、VR1的电流Ix等于流经R1_5的电流I1，即I1=Ix= (Vd-Ve)/( R1_6+VR1)= Va/( R1_6+VR1)。电流I1的大小只和电压Va和电阻R1_6、VR1的阻值大小有关，由此实现了V/I变换模块功能。而Va =Vcc * Ton / T，所以I1= (Vcc * Ton / T)/( R1_6+VR1)，所以当可变电阻的阻值固定后，I1的大小只和PWM的占空比有关。R1_5的阻值为100Ω，R1_5的设计是为了防止输出电流短路。

本发明所述的共地型多路4~20mA电流信号输出电路的第二路电流信号输出原理和第一路相同，并可最多扩展至6路电流信号输出。

上述如此结构构成的本发明共地型多路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

1.共地型多路4~20mA电流信号输出电路，其特征在于包括：

采样模块，用于将输入电压信号进行滤波并传输到MCU模块；

PWM模块，用于产生与MCU控制值相对应的PWM波形；

滤波模块，用于将经过PWM模块的电压信号转换为直流电压；

V/I变换模块，用于将经过滤波模块的直流电压转换为4~20mA电流信号输出；

所述经过V/I变换模块输出的4~20mA电流信号的通道至多为六路，且能共用地回路；

所述MCU模块包括单片机，所述MCU模块可根据输入信号大小改变PWM信号的占空比；

所述滤波模块包括两级RC滤波，由数字信号转换为模拟电压信号，所述模拟电压信号再接入包括运算放大器的跟随电路中。