CN104506172A - 一种4-20mA电流环控制PWM输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信信号转换领域，其公开了一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，以克服对4-20mA电流环通信进行I/V转换可靠性不高、抗干扰能力差，而I/F转换电路结构复杂、成本高等弊端。该电路包括三角波发生电路、I/V变换电路及比较器；所述I/V变换电路的输入端与输入电流信号相连；所述三角波发生电路输出信号与I/V变换电路的输出信号分别与比较器输入端相连。本发明适用于接收机前端对电流环信号的转换处理。

Description

一种4-20mA电流环控制PWM输出电路

技术领域

本发明涉及通信信号转换领域，具体涉及一种4-20mA电流环控制PWM输出电路。

背景技术

目前，工业现场存在许多过程控制系统，从简单的流量控制到复杂的电网，从环境控制系统到炼钢厂过程控制；这些控制系统由很多模块组成如中央处理单元，输入模块，模拟量输出，数字量输出，电源等等。不同模块之间需要进行数据通信，其中4～20mA电流环通信因其抗干扰能力强、传输距离远、稳定可靠而被广泛应用。由于接收机不能直接对电流环信号进行利用，通常需要将电流环信号变换成频率信号或电压信号，即I/F变换、I/V变换。

电流环通信中I/V变换的精度与A/D转换器的精度有关，且电压信号易受干扰，受整体布板的影响；而I/F变换电路复杂，且需要设计较宽的通频带，对信号的解调、滤波提出了很高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，以克服对4-20mA电流环通信进行I/V转换可靠性不高、抗干扰能力差，而I/F转换电路结构复杂、成本高等弊端。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，包括三角波发生电路、I/V变换电路及比较器；所述I/V变换电路的输入端与输入电流信号相连；所述三角波发生电路输出信号与I/V变换电路的输出信号分别与比较器输入端相连。

进一步，还包括输出电路，所述比较器输出信号与输出电路相连。

具体的，所述三角波发生电路包括第一电阻R416、第二电阻R417、第三电阻R418、第四电阻R419、第五电阻R420、第六电阻R421、第七电阻R422，第一电容电容C410及第一运放U401A、第二运放U401B；电源Vcc经第一电阻R416与第一运放U401A反向输入端相连；第二电阻R417与第三电阻R418并联后连接到第一运放U401A反向输入端；第一运放U401A输出端与第七电阻R422相连；第一运放U401A同相输入端经第四电阻R419与第七电阻R422串联后连接到第一运放U401A输出端；第七电阻R422与第六电阻R421串联后连接第二运放U401B反向输入端；第二运放U401B反向输入端经第一电容C410与第二运放U401B输出端相连；第二运放U401B输出端经第五电阻R420连接到第一运放U401A同相输入端；第二运放U401B同相输入端与第一运放U401A反相输入端相连。

具体的，所述I/V变换电路包括第八电阻R409、第九电阻R410、第十电阻R411第十一电阻R412、第十二电阻R413、第十三电阻R414、第十四电阻R415，第二电容C408、第三电容C409及第三运放U401D；第九电阻R410并联在电流信号输入端口两端；电流输入信号接口正端经第八电阻R409与第三运放U401D同相输入端相连；电源经第十电阻R411与第三运放U401D同相输入端相连；第三运放U401D同相输入端经第二电容C408连接到地；第三运放U401D反相输入端经第十二电阻R413连接到地；电源经第十一电阻R412与第三运放U401D反相输入端相连；第三运放U401D输出端经第十三电阻R414与第三运放U401D反向输入端相连；第三运放U401D输出端连接由第十四电阻R415、第三电容C409组成的滤波电路。

具体的，所述比较器U401C输入端分别连接第二运放U401B输出端及第十四电阻R415；比较器U401C输出端连接由第十五电阻R423及第四电容C411组成的滤波电路。

具体的，所述输出电路包括光耦N201，第十六电阻R208、第十七电阻R209，第五电容C212；光耦N201输入端与比较器U401C输出滤波后的信号相连；光耦N201输出端与第五电容C212并联；光耦N201输出端接第十六电阻R208经第十七电阻R209连接至接收机。

本发明的有益效果是：

1.能够将4-20mA电流环信号转换为PWM信号；

2.输出PWM信号占空比与输入电流信号大小成线性对应关系；

3.PWM频率固定且可调；

4.PWM占空比范围可调；

5.电路结构简单，精度高；

6.可靠性强，可操作性强。

附图说明

图1为本发明4-20mA电流环控制PWM输出电路结构框图；

图2为本发明4-20mA电流环控制PWM输出电路实施例结构图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，以克服对4-20mA电流环通信进行I/V转换可靠性不高、抗干扰能力差，而I/F转换电路结构复杂、成本高等弊端。如图1所示，其包括三角波发生电路、I/V变换电路及比较器；所述I/V变换电路的输入端与输入电流信号相连；所述三角波发生电路输出信号与I/V变换电路的输出信号分别与比较器输入端相连。

所述I/V变换电路将输入电流信号变为电压信号；所述三角波电路用于产生固定频率的三角波信号；所述电压信号与三角波信号通过比较器进行比较产生PWM信号；所述输出电路(可选)可对PWM信号与主电路的光电隔离，提高可靠性。

下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述：

如图2所示，本例中的4-20mA电流环控制PWM输出电路中，

所述三角波发生电路包括第一电阻R416、第二电阻R417、第三电阻R418、第四电阻R419、第五电阻R420、第六电阻R421、第七电阻R422，第一电容电容C410及第一运放U401A、第二运放U401B；电源Vcc经第一电阻R416与第一运放U401A反向输入端相连；第二电阻R417与第三电阻R418并联后连接到第一运放U401A反向输入端；第一运放U401A输出端与第七电阻R422相连；第一运放U401A同相输入端经第四电阻R419与第七电阻R422串联后连接到第一运放U401A输出端；第七电阻R422与第六电阻R421串联后连接第二运放U401B反向输入端；第二运放U401B反向输入端经第一电容C410与第二运放U401B输出端相连；第二运放U401B输出端经第五电阻R420连接到第一运放U401A同相输入端；第二运放U401B同相输入端与第一运放U401A反相输入端相连。

所述I/V变换电路包括第八电阻R409、第九电阻R410、第十电阻R411第十一电阻R412、第十二电阻R413、第十三电阻R414、第十四电阻R415，第二电容C408、第三电容C409及第三运放U401D；第九电阻R410并联在电流信号输入端口两端；电流输入信号接口正端经第八电阻R409与第三运放U401D同相输入端相连；电源经第十电阻R411与第三运放U401D同相输入端相连；第三运放U401D同相输入端经第二电容C408连接到地；第三运放U401D反相输入端经第十二电阻R413连接到地；电源经第十一电阻R412与第三运放U401D反相输入端相连；第三运放U401D输出端经第十三电阻R414与第三运放U401D反向输入端相连；第三运放U401D输出端连接由第十四电阻R415、第三电容C409组成的滤波电路。

所述比较器U401C输入端分别连接第二运放U401B输出端及第十四电阻R415；比较器U401C输出端连接由第十五电阻R423及第四电容C411组成的滤波电路。

所述输出电路包括光耦N201，第十六电阻R208、第十七电阻R209，第五电容C212；光耦N201输入端与比较器U401C输出滤波后的信号相连；光耦N201输出端与第五电容C212并联；光耦N201输出端接第十六电阻R208经第十七电阻R209连接至接收机。

上述实例电路的工作原理为：

当4-20mA电流环信号经过Current Input端口输入，经第九电阻R410变换为的电压信号Vin，第三运放U401D和第八电阻R409、第十电阻R411、第十一电阻R412、第十二电阻R413、第十三电阻R414组成的放大电路将电压信号放大，放大器输出电压为 $\mathrm{Vout}=\mathrm{Vcc}\×\frac{R413}{R412+R413}+(\frac{R414}{R413}+\frac{R411}{R411+R409})\×\mathrm{Vin};$ 三角波发生电路振荡频率 $f=\frac{R419}{4\×R421\×R420\×C410},$ 振荡器中心点电压为 $\mathrm{Vcc}\×\left(\frac{R417//R418}{R416+(R417//R418)}\right)V;$ 放大的电流信号和三角波振荡信号比较产生PWM信号，再经隔离输出电路输出PWM信号。

针对上述实例中的电路可进行如下参数设置：

1.PWM信号占空比范围设定方法：调整三角波发生电路的振荡器中心点电压与I/V变换电路的放大倍数。

2.三角波发生电路的振荡器中心点电压设定：调整电阻第一电阻R416、第二电阻R417、第三电阻R418阻值进行设定；

3.I/V变换电路的放大倍数设定：调整第八电阻R409、第九电阻R410、第十电阻R411、第十一电阻R412、第十二电阻R413、第十三电阻R414取值。

4.PWM信号频率设定方法：调整第四电阻R419、第五电阻R420、第六电阻R421和第一电容C410取值进行设定。

5.电流信号与输出PWM信号相关性设定：交换比较器输入端的信号，可设定输出PWM信号为正相关性或负相关性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，其特征在于，包括三角波发生电路、I/V变换电路及比较器；所述I/V变换电路的输入端与输入电流信号相连；所述三角波发生电路输出信号与I/V变换电路的输出信号分别与比较器输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，其特征在于，还包括输出电路，所述比较器输出信号与输出电路相连。

3.如权利要求2所述的一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，其特征在于，所述三角波发生电路包括第一电阻(R416)、第二电阻(R417)、第三电阻(R418)、第四电阻(R419)、第五电阻(R420)、第六电阻(R421)、第七电阻(R422)，第一电容电容(C410)及第一运放(U401A)、第二运放(U401B)；电源(Vcc)经第一电阻(R416)与第一运放(U401A)反向输入端相连；第二电阻(R417)与第三电阻(R418)并联后连接到第一运放(U401A)反向输入端；第一运放(U401A)输出端与第七电阻(R422)相连；第一运放(U401A)同相输入端经第四电阻(R419)与第七电阻(R422)串联后连接到第一运放(U401A)输出端；第七电阻(R422)与第六电阻(R421)串联后连接第二运放(U401B)反向输入端；第二运放(U401B)反向输入端经第一电容(C410)与第二运放(U401B)输出端相连；第二运放(U401B)输出端经第五电阻(R420)连接到第一运放(U401A)同相输入端；第二运放(U401B)同相输入端与第一运放(U401A)反相输入端相连。

4.如权利要求3所述的一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，其特征在于，所述I/V变换电路包括第八电阻(R409)、第九电阻(R410)、第十电阻(R411)第十一电阻(R412)、第十二电阻(R413)、第十三电阻(R414)、第十四电阻(R415)，第二电容(C408)、第三电容(C409)及第三运放(U401D)；第九电阻(R410)并联在电流信号输入端口两端；电流输入信号接口正端经第八电阻(R409)与第三运放(U401D)同相输入端相连；电源经第十电阻(R411)与第三运放(U401D)同相输入端相连；第三运放(U401D)同相输入端经第二电容(C408)连接到地；第三运放(U401D)反相输入端经第十二电阻(R413)连接到地；电源经第十一电阻(R412)与第三运放(U401D)反相输入端相连；第三运放(U401D)输出端经第十三电阻(R414)与第三运放(U401D)反向输入端相连；第三运放(U401D)输出端连接由第十四电阻(R415)、第三电容(C409)组成的滤波电路。

5.如权利要求4所述的一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，其特征在于，所述比较器(U401C)输入端分别连接第二运放(U401B)输出端及第十四电阻(R415)；比较器(U401C)输出端连接由第十五电阻(R423)及第四电容(C411)组成的滤波电路。

6.如权利要求5所述的一种4-20mA电流环控制PWM输出电路，其特征在于，所述输出电路包括光耦(N201)，第十六电阻(R208)、第十七电阻(R209)，第五电容(C212)；光耦(N201)输入端与比较器(U401C)输出滤波后的信号相连；光耦(N201)输出端与第五电容(C212)并联；光耦(N201)输出端接第十六电阻(R208)经第十七电阻(R209)连接至接收机。