CN106020074A - 一种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路 - Google Patents

一种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路 Download PDF

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Abstract

一种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其体积小、成本低、冗余性好、可用性强、非常适合中小规模功能安全控制系统方案。其包括输入电路部分和诊断电路部分；输入电路部分为1OO1架构，实现现场模拟量信号的采集，并将模拟信号转换成数字信号，输入电路部分包括采样电阻网络电路(A1)、模拟开关电路(A2)、仪表放大电路(A3)、模数转换电路(A4)；诊断电路部分包括电阻诊断电路和DAC诊断电路，电阻诊断电路复用输入电路部分，实现对输入电路部分的失效诊断；DAC诊断电路包括数模转换电路(A5)，并复用输入电路部分，实现对模数转换电路的转换结果的诊断，以及采样电阻网络电路、模拟开关电路、仪表放大电路的失效诊断。

Description

一种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路
技术领域
本发明属于工业控制的技术领域，尤其涉及一种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路。
背景技术
目前针对功能安全模拟量输入电路的设计结合IEC61508，为实现高诊断覆盖率，需求如下：
1、需诊断直流故障模型、漂移和振荡故障。
2、输入比较或表决。
3、测试图诊断方式。
4、输入短路、断路、超上限和超下限诊断。
5、输入线缆采用屏蔽线缆。
现在市面上的功能安全模拟量输入电路多为2OO3架构，产品虽然可以满足功能安全要求，但2OO3的架构成本高，体积大，在一些对成本约束较高、安装空间比较小的应用场合不适用。而本发明提出的设计具有体积小、成本低、冗余性好、可用性强等优点。非常适合中小规模功能安全控制系统方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其体积小、成本低、冗余性好、可用性强、非常适合中小规模功能安全控制系统方案。
解决上述问题的技术方案是：这种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其包括输入电路部分和诊断电路部分；输入电路部分为1OO1架构，实现现场模拟量信号的采集，并将模拟信号转换成数字信号，输入电路部分包括采样电阻网络电路(A1)、模拟开关电路(A2)、仪表放大电路(A3)、模数转换电路(A4)；诊断电路部分包括电阻诊断电路和DAC诊断电路，电阻诊断电路复用输入电路部分，实现对输入电路部分的失效诊断；DAC诊断电路包括数模转换电路(A5)，并复用输入电路部分，实现对模数转换电路(A4)的转换结果的诊断，以及采样电阻网络电路(A1)、模拟开关电路(A2)、仪表放大电路(A3)的失效诊断。
本发明通过输入电路部分和诊断电路部分，可实现现场模拟量4-20mA电流的实时采集，通过诊断电路可实时诊断输入电路故障和元器件失效，可实时诊断现场通道的短路或断路故障，1OO1D(一取一加诊断)的架构设计，满足功能安全要求，降低产品成本，体积小、成本低、冗余性好、可用性强、非常适合中小规模功能安全控制系统方案。
附图说明
图1是根据本发明的一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路的电路方框图。
图2是根据本发明的一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，这种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其包括输入电路部分和诊断电路部分；输入电路部分为1OO1架构，实现现场模拟量信号的采集，并将模拟信号转换成数字信号，输入电路部分包括采样电阻网络电路(A1)、模拟开关电路(A2)、仪表放大电路(A3)、模数转换电路(A4)；诊断电路部分包括电阻诊断电路和DAC诊断电路，电阻诊断电路复用输入电路部分，实现对输入电路部分的失效诊断；DAC诊断电路包括数模转换电路(A5)，并复用输入电路部分，实现对模数转换电路(A4)的转换结果的诊断，以及采样电阻网络电路(A1)、模拟开关电路(A2)、仪表放大电路(A3)的失效诊断。
本发明通过输入电路部分和诊断电路部分，可实现现场模拟量4-20mA电流的实时采集，通过诊断电路可实时诊断输入电路故障和元器件失效，可实时诊断现场通道的短路或断路故障，1OO1D(一取一加诊断)的架构设计，满足功能安全要求，降低产品成本，体积小、成本低、冗余性好、可用性强、非常适合中小规模功能安全控制系统方案。
另外，如图2所示，采样电阻网络电路(A1)包括：第一、第三和第四瞬态抑制二极管，第一保险丝，第一热敏电阻，第二电阻，第三和第四精密电阻，第二齐纳二极管，瞬态抑制二极管实现通道的EMC防护，保险丝实现通道的过流防护，齐纳二极管实现通道的过压防护。
另外，如图2所示，模拟开关电路(A2)包括：第一模拟开关(U1)，第二电容(C2)，第四电容(C4)，第八电容(C8)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)，第九电阻(R9)，第十电阻(R10)和第十一电阻(R11)。
另外，如图2所示，仪表放大电路(A3)包括：第二仪表放大器芯片(U2)，第一双串联肖特基二极管(Q1)，第五电容(C5)，第六电容(C6)，第七电容(C7)，第七电阻(R7)和第八电阻(R8)。
另外，如图2所示，模数转换电路(A4)包括：第三模数转换芯片(U3)，第四基准源芯片(U4)，第三电容(C3)，第九电容(C9)，第十电容(C10)，第十一电容(C11)，第十三电容(C13)，第十二电阻(R12)，第一磁珠(L1)。
另外，如图2所示，数模转换电路(A5)包括：第五数模转换芯片(U5)，第六基准源芯片(U6)，第十三电阻(R13)，第十四电阻(R14)，第十五电阻(R15)，第二磁珠(L2)，第十二电容(C12)，第十四电容(C14)，第十五电容(C15)和第十六电容(C16)。
以下更详细地说明本发明的具体实施例。
如图2所示，采样电阻网络电路(A1)将现场电流信号转换为电压信号，并实现通道的EMC防护，包括第一保险丝F1，第一瞬态抑制二极管D1，第三瞬态抑制二极管D3，第四瞬态抑制二极管D4，第二齐纳二极管D2，第一电容C1，第一热敏电阻R1，第二电阻R2，第三精密电阻R3和第四精密电阻R4。F1串联在通道入口处，实现通道过流防护；D1、D3和D4实现通道静电和浪涌防护，其中D1和D3为共模防护，D4为差模防护；C1实现射频防护；D2并联在采样电阻两端，对后续电路实现过压保护；R1为电路保护热敏电阻，串联在F1后端的通道中，限定通道电流值，实现过流保护，并且在通道过压时进行限流；R2为分压电阻，在通道过压时提供过压保护；R3和R4为采集电阻，将现场电流信号转换为电压信号。F1、R1、R2、R3和R4串联后并联在通道信号输入端和地之间，从通道信号输入端到地的串联方向依次为：F1、R1、R2、R3、R4，其中R4上端电压为输入电压，R3上端电压为电阻诊断电路诊断电压。
如图2所示，模拟开关电路(A2)切换通道为采集输入、电阻诊断输入还是DAC诊断输入，包括第一模拟开关U1，第二电容C2，第四电容C4，第八电容C8，第五电阻R5，第六电阻R6，第九电阻R9，第十电阻R10和第十一电阻R11。U1的第一管脚1接正电源，第十三管脚13接负电源，第九管脚9和第十六管脚16接地，第十管脚10、第十一管脚11和第十二管脚12悬空，第二管脚2串联R5后接A1电路的诊断电压，第三管脚3接第五管脚5，第四管脚4串联R6后接(A1)电路的输入电压，第七管脚7接DAC电路(A5)的输出电压，第六管脚6通过C2去耦接仪表放大电路(A3)，第八管脚8通过R11下拉到地接处理器I/O管脚，第十五管脚15通过R10下拉到地接处理器I/O管脚，第十四管脚14通过R9下拉到地；C4和C8分别为负电源和正电源的去耦电容。
如图2所示，仪表放大电路(A3)调理通道阻抗、钳位ADC芯片前输入电压，包括第二仪表放大器芯片U2，第一双串联肖特基二极管Q1，第五电容C5，第六电容C6，第七电容C7，第七电阻R7和第八电阻R8。U2的第一管脚1和第六管脚6接地，第二管脚2和第三管脚3悬空，第八管脚8接正电源，第五管脚5接负电源，第四管脚4接(A2)电路输出，第七管脚7接R7一端；Q1的第一管脚1接地，第二管脚2接正电源，第三管脚3接R7另一端；R7和R8串联在U2的输出端和模数转换电路(A4)输入端之间，R7与R8连接端接Q1的管脚3，R7另一端接U2的管脚7，R8另一端通过C5滤波后接(A4)电路输入端；C6和C7分别为负电源和正电源的去耦电容。
如图2所示，模数转换电路(A4)将通道模拟信号转换成数字信号，包括第三模数转换芯片U3，第四基准源芯片U4，第三电容C3，第九电容C9，第十电容C10，第十一电容C11，第十三电容C13，第十二电阻R12，第一磁珠L1。U3的第一管脚1为第一采集通道输入端，接(A3)电路输出端，第二管脚2-第八管脚8为第二-第八采集通道输入端，悬空；U3的第九管脚9接C10一端，C10另一端接地；U3的第十管脚10接基准源；U3第十一管脚11接处理器SPI接口片选管脚；U3的第十二管脚12接处理器SPI接口时钟管脚；U3的第十三管脚13接处理器SPI接口主入从出管脚；U3的第十四管脚14接处理器SPI接口主出从入管脚；U3的第十五管脚15接地；U3的第十六管脚16接电源。U4的第一管脚1和第二管脚2接地；U4的第一管脚1和第二管脚2接地；第三管脚3接第四管脚4，管脚3和管脚4连接后接L1一端，L1另一端接基准源输入电源；U4的第五管脚5接第六管脚6，管脚5和管脚6连接后接R12一端，R12另一端接基准源输出。C3、C9、C11和C13为电源去耦电容。
如图2所示，DAC电路(A5)将数字信号转换成模拟信号，完成DAC诊断信号输出，包括第五数模转换芯片U5，第六基准源芯片U6，第十三电阻R13，第十四电阻R14，第十五电阻R15，第二磁珠L2，第十二电容C12，第十四电容C14，第十五电容C15和第十六电容C16。U5的第一管脚1通过R13下拉到地，第二管脚2接处理器SPI接口片选管脚，第三管脚3串联R14后接A2电路U1的管脚7，第五管脚5、第六管脚6、第七管脚7、第九管脚9、第十管脚10、第十一管脚11、第十二管脚12和第十三管脚13悬空，第八管脚8接基准源，第十四管脚14接地，第十五管脚15接处理器SPI接口的主出从入管脚，第十六管脚16接处理器SPI接口的时钟管脚。U6的第一管脚1和第二管脚2接地；第三管脚3接第四管脚4，管脚3和管脚4连接后接L2一端，L2另一端接基准源输入电源；U6的第五管脚5接第六管脚6，管脚5和管脚6连接后接R15一端，R15另一端接基准源输出。C12、C14、C15和C16为电源去耦电容。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。本领域的普通技术人员应该理解，凡是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，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其特征在于：其包括输入电路部分和诊断电路部分；输入电路部分为1OO1架构，实现现场模拟量信号的采集，并将模拟信号转换成数字信号，输入电路部分包括采样电阻网络电路(A1)、模拟开关电路(A2)、仪表放大电路(A3)、模数转换电路(A4)；诊断电路部分包括电阻诊断电路和DAC诊断电路，电阻诊断电路复用输入电路部分，实现对输入电路部分的失效诊断；DAC诊断电路包括数模转换电路(A5)，并复用输入电路部分，实现对模数转换电路(A4)的转换结果的诊断，以及采样电阻网络电路(A1)、模拟开关电路(A2)、仪表放大电路(A3)的失效诊断。
2.根据权利要求1所述的一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其特征在于：采样电阻网络电路(A1)包括：第一、第三和第四瞬态抑制二极管，第一保险丝，第一热敏电阻，第二电阻，第三和第四精密电阻，第二齐纳二极管，瞬态抑制二极管实现通道的EMC防护，保险丝实现通道的过流防护，齐纳二极管实现通道的过压防护。
3.根据权利要求1所述的一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其特征在于：模拟开关电路(A2)包括：第一模拟开关(U1)，第二电容(C2)，第四电容(C4)，第八电容(C8)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)，第九电阻(R9)，第十电阻(R10)和第十一电阻(R11)。
4.根据权利要求1所述的一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其特征在于：仪表放大电路(A3)包括：第二仪表放大器芯片(U2)，第一双串联肖特基二极管(Q1)，第五电容(C5)，第六电容(C6)，第七电容(C7)，第七电阻(R7)和第八电阻(R8)。
5.根据权利要求1所述的一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其特征在于：模数转换电路(A4)包括：第三模数转换芯片(U3)，第四基准源芯片(U4)，第三电容(C3)，第九电容(C9)，第十电容(C10)，第十一电容(C11)，第十三电容(C13)，第十二电阻(R12)，第一磁珠(L1)。
6.根据权利要求1所述的一取一加诊断的功能安全模拟量输入电路，其特征在于：数模转换电路(A5)包括：第五数模转换芯片(U5)，第六基准源芯片(U6)，第十三电阻(R13)，第十四电阻(R14)，第十五电阻(R15)，第二磁珠(L2)，第十二电容(C12)，第十四电容(C14)，第十五电容(C15)和第十六电容(C16)。
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