CN102938648A - 一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路 - Google Patents

一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路 Download PDF

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杨亮亮
杨国勋
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Abstract

本发明提供了一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路，属于工程机械技术领域，包括整形电路1、一阶有源滤波器电路2、二阶有源滤波器电路3和电压转换电路4。整形电路1上设有信号输入端，整形电路1依次与一阶有源滤波器电路2、二阶有源滤波器电路3连接。二阶有源滤波器电路3上设有输出端，电压转换电路4的电压输出端与一阶有源滤波器电路2、二阶有源滤波器电路3相连。本发明通过由施密特比较器构成的PWM整形电路和二阶有源滤波器电路，实现了较为理想化的输入与输出关系，进一步实现了零点线性输出。

Description

一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种模拟量输出电路，尤其涉及一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路。
背景技术  
目前我国工程机械行业自动化领域控制设备中，为了方便远程监视和控制，很多电参量需要通过模拟量传输。
传统的模拟量输出电路研究主要集中在D/A转换模块、光耦隔离传输模块以及输出保护等方面的研究。对模拟量输出电路设计，在电路传输方面大多采用光耦隔离方式，当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数字信号、控制信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电器上的联系，否则这种隔离是没有任何意义的。
在本发明之前，发明人发现现有技术中的传统模拟量输出的驱动能力有限，带负载的能力差，还缺少相应的保护电路。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种高精度、高可靠性的应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路。
发明内容
现提供一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路，通过由施密特比较器构成的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）整形电路和二阶有源滤波器电路，实现较为理想化的输入与输出关系，进一步实现了零点线性输出。具体技术方案如下：
一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路，包括整形电路、一阶有源滤波器电路、二阶有源滤波器电路和电压转换电路，所述整形电路上设有信号输入端，所述整形电路依次与一阶有源滤波器电路、二阶有源滤波器电路连接，所述二阶有源滤波器电路上设有输出端，所述电压转换电路的电压输出端与所述一阶有源滤波器电路、二阶有源滤波器电路相连。
优选的，所述整形电路包括电阻（R4）、电阻（R5）和电阻（R7）构成的滞回比较器。
优选的，所述一阶有源滤波器电路包括第一放大器（U1-1），所述第一放大器（U1-1）的输出端内部接有下拉电阻（R2）。
优选的，所述二阶有源滤波器电路包括第二放大器（U1-2），
优选的，还包括输出保护电路，所述输出保护电路与所述二阶有源滤波器电路的输出端相连。
优选的，所述输出保护电路包括自恢复保险丝（F1）。
优选的，所述电压转换电路包括电压转换器。
优选的，所述电压转换电路的电压输出端的输出电压为5.0~7.0V。
优选的，所述电压转换电路的电压输出端的输出电压为6.67V。 
优选的，所述信号输入端用于输入脉冲宽度调制信号。
 
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
通过控制脉宽调制信号占空比调节模拟量电压输出大小；
由施密特比较器构成的PWM整形电路和二阶有源滤波器电路，实现较为理想化的输入与输出关系，进一步实现了零点线性输出；
带有低阻保护的输出电路可以有效的防止由于输出短路，过载对电路造成的损害；
整体电路装置结构简单，测量精度高，总体精度可达到千分之二，具有应用灵活，使用方便，成本低廉的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的实施例的系统框图；
图2是本发明的实施例的结构示意图。
其中，1为整形电路、2为一阶有源滤波器电路、3为二阶有源滤波器电路、4为电压转换电路、41为电压转换器、5为输出保护电路。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明做具体阐释。
如图1中所示的本发明的实施例的一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路，包括整形电路1、一阶有源滤波器电路2、二阶有源滤波器电路3和电压转换电路4。整形电路1上设有信号输入端，由单片机（MCU）产生的脉冲宽度调制(PWM)信号由信号输入端输入模拟量输出电路中。
整形电路1依次与一阶有源滤波器电路2、二阶有源滤波器电路3连接。二阶有源滤波器电路3上设有输出端，PWM信号经由滤波器电路的放大器后完成模拟量输出。
电压转换电路4的电压输出端与一阶有源滤波器电路2、二阶有源滤波器电路3相连，提供电压。
本发明的实施例通过PWM整形电路和二阶有源滤波器电路，实现了较为理想化的输入与输出关系，进一步实现了零点线性输出。
在本发明的实施例中，本电路MCU采用TI生产的高性能的32位中央处理器TMS320F2812，该微处理芯片具有12位A/D转换精度，可以实现高精度的PWM输出，经滤波器电路后，输出端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0.2%。
如图2中所示，在本发明的实施例中，电压转换电路4包括电压转换器41，并将24V输入经过电压转换器41转换成6.67V的电压给一阶有源滤波器电路2的运算放大器提供电压，第一放大器U1-1为单电源运算放大器，放大器输出端内部带下拉电阻R2，通过R4和R5确定比较器（比较器供电电源稳定）状态反转参考电压，和R7一起构成滞回比较器（施密特），可以使得当一个靠近参考电压的变化缓慢的信号出现时，不会出现输出端在高低电平间跳跃。在没有固定状态输出时，R2为第一放大器U1-1同相输入端提供固定状态。
由第一放大器U1-2构成的二阶有源滤波器电路3相对于一阶有源滤波器电路的滤波效果更接近于实际情况。同时，有源滤波相对于无源滤波可以解决电路中的负载效应，实现较为理想化的输入与输出关系，进一步实现了零点线性输出。
电压转换电路4的供电电压为5.0~7.0V，优选为6.67V，由于电路中运算放大器采用的单电源供电，集成运算放大器输出最大电压值为6.67-1.5V即5V左右，通过控制脉宽调制信号的占空比可以调节输出电压的大小，所以本实施例模拟量电压输出范围为0-5V。
如图1中所示，在本发明的实施例中，还包括输出保护电路5。输出保护电路5与二阶有源滤波器电路3的输出端相连。并如图2中所示，由稳压二极管Z1和自恢复保险丝F1构成一个低阻保护电路，在输出端有瞬间高压或者大电流反串到电路中时，自恢复保险丝F1会自动切断，保护整个电路不受外部干扰。可以有效的防止由于输出短路，过载对电路造成的损害。并具有自恢复功能。
如图1中所示，在本发明的实施例中，
比较电压：V1=6.7*R4/(R4+R5+R6)=6.7V*10K/(10K+30K+22Ω)=1.67V。
PWM低电平变为高电平时，
上门限电压：VT+=V1*(R3+R7)/R7=1.67V(499K+10K)/*499K =1.70V；
V2(ON)=VOH=6.7-1.5V=6.7V-1.5V=5.2V。
PWM由高电平变为低电平时，下门限电压：
VT-=V1*(R3+R7)/R7-(6.7-1.5)*R3/R7=1.67V*(499K+10K)/499K-(6.7V-1.5V)*10K/499K =1.60V；
V2(OFF)=VOL=0V。
输出电压：设D为PWM信号占空比，
当D=0时：V3=V2(ON)*D+V2(OFF)*(1-D)=5.2V*0=0V；Vout=V3=0V。
当D=1时：V3=V2(ON)*D+V2(OFF)*(1-D)=5.2V*1=5.2V； 
此时Vout经过二阶滤波电路，而二阶滤波经典误差值在0.2%以下，所以Vout的误差理论值也会在0.2%以内。
而实测Vout =5.19V。误差d=(V3-Vout)/V3=(5.2-5.19)/5.2=0.19%
本发明的实施例的结构简单，测量精度高，总体精度可达到千分之二；电路中没有采用D/A转换芯片，使得装置成本大大降低。由于本发明的都是工业级元器件，可适应的稳定范围为-30～70℃，现场实际应用表明，本发明实施例的模拟量输出电路具有抗干扰能力强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点，能够适应恶劣的现场环境，适用于工程机械设备的控制电路中。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种应用于工程机械的控制器的模拟量输出电路，其特征在于，包括整形电路（1）、一阶有源滤波器电路（2）、二阶有源滤波器电路（3）和电压转换电路（4），所述整形电路（1）上设有信号输入端，所述整形电路（1）依次与一阶有源滤波器电路（2）、二阶有源滤波器电路（3）连接，所述二阶有源滤波器电路（3）上设有输出端，所述电压转换电路（4）的电压输出端与所述一阶有源滤波器电路（2）、二阶有源滤波器电路（3）相连。
2.如权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述整形电路（1）包括电阻（R4）、电阻（R5）和电阻（R7）构成的滞回比较器。
3.如权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述一阶有源滤波器电路（2）包括第一放大器（U1-1），所述第一放大器（U1-1）的输出端接有下拉电阻（R2）。
4.如权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述二阶有源滤波器电路（3）包括第二放大器（U1-2）。
5.如权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，还包括输出保护电路（5），所述输出保护电路（5）与所述二阶有源滤波器电路（3）的输出端相连。
6.如权利要求5所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述输出保护电路（5）包括自恢复保险丝（F1）。
7.如权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述电压转换电路（4）包括电压转换器（41）。
8.如权利要求7所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述电压转换电路（4）的电压输出端的输出电压为5.0~7.0V。
9.如权利要求8所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述电压转换电路（4）的电压输出端的输出电压为6.67V。
10.如权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述信号输入端用于输入脉冲宽度调制信号。
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