CN104506172B - 一种4‑20mA电流环控制PWM输出电路 - Google Patents

一种4‑20mA电流环控制PWM输出电路 Download PDF

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刘蔷
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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；第一电源Vcc经第一电阻R416与第一运放U401A反相输入端相连；第二电阻R417与第三电阻R418并联后连接到第一运放U401A反相输入端；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反相输入端；第二运放U401B反相输入端经第一电容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；第二电源经第十电阻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；第二电源经第十一电阻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反相输入端相连；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，且光耦N201输出端经第十七电阻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反相输入端相连；第二电阻R417与第三电阻R418并联后连接到第一运放U401A反相输入端；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反相输入端；第二运放U401B反相输入端经第一电容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反相输入端相连；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 三角波发生电路振荡频率振荡器中心点电压为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 (3)

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、输出电路及比较器；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，所述比较器输出信号与输出电路相连；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)；第一电源(Vcc)经第一电阻(R416)与第一运放(U401A)反相输入端相连；第二电阻(R417)与第三电阻(R418)并联后连接到第一运放(U401A)反相输入端；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)反相输入端；第二运放(U401B)反相输入端经第一电容(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；第二电源经第十电阻(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；第二电源经第十一电阻(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)反相输入端相连；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。
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，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。
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)，且光耦(N201)输出端经第十七电阻(R209)连接至接收机。
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