CN108469775A - 一种4~20mA信号隔离电路及多功能隔离变送器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对4~20mA直流电流信号进行隔离的电路及变送器，属于信号隔离传输技术领域。本发明包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和一组及以上的信号输出单元；窃电分流采样单元从源设备窃取能量并对输入的电流信号进行采样；所述小信号放大单元对采样信号进行放大；核心处理单元将放大后的采样信号转换成相应的数字值及PWM信号；所述信号输出单元由可控恒流源单元和滤波单元组成，可控恒流源单元受PWM信号控制而产生脉冲电流信号，经滤波单元后产生与输入端电流成线性关系的恒流信号。本发明所述的信号隔离电路及变送器无需独立供电电源便可正常工作，其电路结构简单，易于集成，便于生产。

Description

一种4~20mA信号隔离电路及多功能隔离变送器

技术领域

涉及信号隔离领域，具体而言涉及一种4~20mA信号隔离电路及多功能信号变送器。

背景技术

在当前许多工业现场及实验室，都涉及到多台设备间的数据传输，而许多有线性规律的数据多采用4~20mA直流电流的方式进行传输，为避免两台设备间相互干扰，一般会使用4~20mA的信号隔离器进行隔离。而目前市场上的信号隔离器普遍存在如下问题：

1. 使用昂贵的隔离器件，普遍价格偏高；

2. 所使用的隔离电路带有隔离电源，而隔离电源电路不但增加成本，还会占用大片的PCB面积，导致信号隔离器的体积普遍偏大，不利于集成。

发明内容

本发明针对现有技术存在的以上问题，提出了一种可使用常见低价元器件实现的4~20mA信号隔离电路，有效的降低了信号隔离器的材料成本，本发明所描述的4~20mA信号隔离电路仅占用很小的PCB面积，非常利于集成。

为了达到以上目的，本发明采用了如图1、图2、图3所示的技术方案，描述如下：

一种4~20mA信号隔离电路，其包括：窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列。

所述4~20mA信号为直流信号。

所述窃电分流采样单元负责从源设备的4~20mA信号输出端窃取能量并实现稳压输出，并为整个隔离采集器的隔离前端电路供电，且能够将信号输入端多余的电流全部进行分流传输；所述窃电分流采样单元还负责对信号输入端的电流进行采样，其采样信号发送到小信号放大单元。

所述的隔离前端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到源设备4~20mA信号输出端口之间的所有电路，下同。

所述源设备指发送承载数据的信号的设备，下同。

所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大后的信号发送到核心处理单元。

所述核心处理单元其负责对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D变换，并对AD转换的数字值进行相应数据处理，然后将数据处理得到的数字值转换成n路相应占空比的PWM信号，通过n组PWM信号输出端口发送到信号输出单元阵列。

所述信号输出单元阵列由由n行信号输出单元组组成，所述信号输出单元组由m个信号输出单元组成，所述信号输出单元可控恒流源单元和滤波单元。

所述m和n为正整数，m的值受核心处理单元的PWM信号输出端的驱动能力及可控恒流源单元控制端压降的限制，应用最多的情况为m=1或者m=2；n的值受所述核心处理单元拥有的PWM信号输出端的数量及本发明所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流限制，应用最多的情况为n=1或者n=2。

所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述隔离前端电路的最小正常工作电流之和。

为便于理解，后续描述中的m专指每组可控恒流源单元组中可控恒流源单元的数量，n专指可控恒流源单元组的数量。

所述可控恒流源单元为指定恒流值的、拥有电气隔离控制端并能快速通断的恒流源电路，其受核心处理单元的控制而输出脉冲电流到滤波单元。

所述滤波单元为1阶或多阶低通滤波电路，其对可控恒流源单元输出的脉冲电流进行滤波并将滤波后的电流输出到目标设备。

所述目标设备指接收承载数据的信号的设备，下同。

所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的正常工作电压应不大于所对接源设备的信号输出端在接入最大负载时的输出电压，最大承受电压应不大于所对接源设备的信号输出端的开路电压，最大允许工作电流应不大于源设备所输出的代表有效数据的最小电流，即4mA，最大承受电流应不小于源设备的信号输出端所输出的最大有效电流，即20mA。

一种4~20mA信号多功能隔离变送器，其基于所述4~20mA信号隔离电路设计，在实现了所述4~20mA隔离电路功能的同时，增加了数字信号通信功能，其包括：窃电分流采样单元、小信号放大单元、多功能核心处理单元、数字信号输出单元和1组信号输出单元。

所述窃电分流采样单元同所述4-20mA信号隔离电路中的窃电分流采样单元。

所述小信号放大单元同所述4-20mA信号隔离电路中的小信号放大单元。

所述多功能核心处理单元用于对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D变换，并进行相应的数据处理，然后将得到的数字值DA转换成相应占空比的PWM信号，通过PWM信号输出端口发送到信号输出单元；同时，核心处理单元还提供数字信号通信接口，可将数字值DA以数字信号的方式经数字信号输出单元发送给与之通信的数字信号目标设备。

所述数字信号目标设备指通过数字信号与所述4~20mA信号多功能隔离变送器通信而获取源设备发送的数据信息的设备，下同。

所述信号输出单元同所述4-20mA信号隔离电路中的信号输出单元。

4~20mA信号多功能隔离变送器的隔离前端电路的正常工作电压应不大于所对接源设备的信号输出端在接入最大负载时的输出电压，最大承受电压应不大于所对接源设备的信号输出端的开路电压，最大允许工作电流应不大于源设备所输出的代表有效数据的最小电流，即4mA，最大承受电流应不小于源设备的信号输出端所输出的最大有效电流，即20mA。

所述4~20mA信号多功能隔离变送器的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述隔离前端电路的最小正常工作电流之和。

本发明的有益效果

1) 利用本发明所描述的4~20mA信号隔离电路，可以用低成本的方式轻松实现1入1出、1入2出乃至1入多出的信号隔离器。

2) 本发明所描述的4~20mA信号隔离电路所用元器件价格低廉、数量不多，且均有小封装形式，如此便大大节约了成本和空间，便于小型化、集成化。

3) 本发明所描述的4~20mA信号隔离电路的输入侧产生的压降可低至2.5V以下，也就是相当于在信号输出设备的4~20mA回路中串入了一个大约120欧的电阻，而多数4~20mA输出设备的带负载能力能够达到350欧以上，4~20mA信号输入设备的输入电阻也不会大于200欧，这就允许将本发明所述的4~20mA信号隔离电路的输入侧以串联方式接入原有的4~20mA信号通信回路中，可节约一个输出通道，进而节约安装成本。

4) 本发明所描述的4~20mA信号多功能变送器，可实现模拟信号到模拟信号的隔离传输、数字信号到模拟信号的隔离传输以及模拟信号到数字信号的隔离传输。

5) 本发明所描述的4~20mA信号多功能变送器，其提供的模拟信号到数字信号的转换传输功能，不但为使用方提供了更多的选择性，而且利用这种模式，就相当于将信号最终接收方的AD转换任务前移到了模拟量信号的输出方，省去了中间模拟量到模拟量隔离的环节，代之以数字信号的隔离传输。专业人士都知道，再好的模拟信号隔离器都会有误差，而数字信号的隔离传输是没有误差可言的，这就大大提高了信号传输的准确度。

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的介绍，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的前提下，还能根据这些附图获得其他的附图。

图1:为本发明所述的4~20mA信号隔离电路的原理框图及应用说明框图；

图2：为本发明所述的4~20mA信号隔离电路的顶层电路原理图1；

图3：为本发明所述的4~20mA信号隔离电路的顶层电路原理图2；

图4：为本发明所述的窃电分流单元的电路原理图；

图5：为本发明所述的小信号放大单元的电路原理图；

图6：为本发明所述的核心处理单元的电路原理图；

图7：为本发明所述的可控恒流源单元的电路原理图1；

图8：为本发明所述的可控恒流源单元的电路原理图2；

图9：为本发明所述的滤波单元的电路原理图；

图10：为本发明所述的4~20mA信号多功能隔离变送器的原理框图及应用说明框图；

图11：为本发明所述的4~20mA信号多功能隔离变送器的顶层电路原理图；

图12：为本发明所述的多功能核心处理单元的电路原理图；

图13：为本发明所述的数字信号输出单元的原理图；

图14：为本发明所述的信号转换传输流程图；

图15：业界通用的一种恒流源电路电路原理图。

其中：

图1和图10中的实线箭头示意电流流动，点画线箭头示意信号流动，虚线框代表外部设备；

在图1和图10中，源设备指发送承载数据的信号的设备，目标设备指接收承载数据的信号的设备；

在图10中，数字信号目标设备指通过数字信号与所述4~20mA信号多功能隔离变送器通信而获取源设备发送的数据信息的设备。

具体实施方式

关于本发明创造的详细内容及技术说明，现以实施例来作进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅为用于示例说明，而不应被解释为本发明创造实施的限制。

参考图1所示一种4-20mA信号隔离电路的原理框图及应用说明框图，包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列。

如图1所示，源设备输出的4-20mA电流信号IAI经所述窃电分流采样单元的输入电流流入端口流入，从输入电流流出端口流出，从而形成电流回路，不影响源设备的工作和其所输出的IAI信号所承载的数据的准确性。电流IAI在经过所述窃电分流采样单元后会产生一个固定电压UO加一个采样电压UA，UO用以维持核心处理单元及小信号放大单元的工作,其大小需满足所述核心处理单元、小信号放大单元的工作电压要求；UA是一个与IAI呈线性关系的电压，其相对于所述的UO呈现负压特性，且电压值很小；所述小信号放大单元设在所述窃电分流采样单元和核心处理单元之间，用于将所述的负压采样信号UA转成正压并进行放大，其放大后的信号XUA送于核心处理单元进行AD转换；所述核心处理单元将信号XUA转换成对应的数字值DA0，并根据内部温度传感器所采集的温度和设定的线性校准曲线对DA0进行温漂修正和线性修正，得到修正后的数字值DA，并转换成n组PWM差分信号通过n组PWM输出端口发送到n组信号输出单元组的控制端，此n组PWM信号的脉宽均与所述的电流信号IAI成线性对应关系。

所述信号输出单元组的控制端为同一个信号输出单元组中的可控恒流源单元的控制端通过级联或者并联的方式组成的总控制端。

所述信号输出单元包括可控恒流源单元和滤波单元。

所述可控恒流源单元为一个输出电流值为IA的二端口恒流源电路和一个电气隔离电路的组合电路，所述电气隔离电路可接收PWM信号并以此信号来控制二端口恒流源电路的通断；所述滤波单元接于所述可控恒流源单元和本发明所述的4~20mA信号隔离电路的电流输出端口之间，用于将所述可控恒流源单元输出的脉冲电流信号过滤为平滑的电流信号IAO，IAO便是本发明所描述的4~20mA信号隔离电路最终输出的信号。

为便于理解，本处使用两个实施例对本发明进行阐述，其电路结构均使用了层次化设计，将整套电路划分为两层：顶层和底层。顶层电路限定了各子单元电路的接口及各接口之间的衔接关系，底层则对各子单元电路分别进行了内部设计。

实施例_甲子：图2、图4、图5、图6、图7和图9为本实施例的全部原理图。

参考图2所示的一种4~20mA信号隔离电路的顶层电路原理图1，其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列；其中信号输出单元阵列包括2组信号输出单元组，2组信号输出单元组占用两个PWM通道，每1个信号输出单元组包含1个信号输出单元，即m=1，n=2。

如图2所示，所述窃电分流采样单元的IN+与IN-端口作为1对电流输入端口分别连接到源设备的电流输出端口——电流输出+与电流输出-，VOUT+与VOUT-作为1对电压输出端口为隔离前端电路供电，其中VOUT-端口接地，VOUT+端口连接到所述核心处理单元的电源输入正极端口VDD和所述小信号放大单元的电源输入正极端口VS+，采样信号输出端口IVOUT连接到所述小信号放大单元的采样信号输入端口AFIN；所述小信号放大单元的电源输入负极端口VS-接地，放大信号输出端口AFOUT连接到所述核心处理单元的模拟信号输入端口AFIN；所述核心处理单元的电源输入负极端口VSS接地，两组PWM信号差分输出端口PWM1+与PWM1-、PWM2+与PWM2-分别连接到两组信号输出单元组的总控制端，也就是两个可控恒流源单元的控制端PWMIN+与PWMIN。

所述电流输出-端口指电流吸纳端口。

所述信号输出单元包括可控恒流源单元和滤波单元。

所述可控恒流源单元的电源输入端口DYIN和电流输出端口DLOUT分别连接到所述滤波单元的公共端口COM和1个输入输出端口XHIO1；所述滤波单元的公共端口COM和另1个输入输出端口XHIO2分别连接到目标设备的电源正极和4~20mA信号输入端口。

所述目标设备所提供的电源电压需小于所述可控恒流源单元所能承受的最大电压，且大于等于其内部采样电阻、所述滤波单元的满量程压降及所述可控恒流源单元的导通压降之和，例如：所述目标设备的内部采样电阻为150欧，滤波单元内阻为20欧，满量程输入电流为20mA，则满量程压降为3.4V，假设可控恒流源单元的导通压降为5V，能承受的最大电压为24V，则目标设备所提供的电源电压应该在8.4V~24V之间。

底层电路描述如下：

如图4所示，所述窃电分流采样单元由并联稳压源U1q、电阻R1q~R3q、电容C1q~C2q和电感L1q组成；对外连接端口包括：1对电流输入端口IIN+与IIN-、1对电压输出端口VOUT+与VOUT-和采样信号端口IVOUT；所述并联稳压源U1q的阴极接电流输入正端口IIN+，阳极接电压输出负极端口VOUT-；电阻R1q接于U1q的阴极与参考极之间；电阻R2q接于U1q的阳极与参考极之间；电阻R3q与电容C1q并联后接于U1q的阳极与电流输入负端口IIN-之间；电容C2q接于电流输入正端口IIN+与电流输入负端口IIN-之间；电容C3q接于电压输出正端口VOUT+与电压输出负端口VOUT-之间；电感L1q接于U1q的阴极与电压输出正端口VOUT+之间；采样信号端口IVOUT与电流输入负端口IIN-相连。

所述并联稳压源U1q的最大承受电流应不小于本发明所述4-20mA信号隔离电路允许的满量程输入电流，最小正常工作电流应尽可能小。本实施例采用型号为AZ432的精密稳压芯片。

所述电阻R1q采用高精度低温漂电阻。

如图5所示，所述小信号放大单元由放大器U1f、电容C1f~C2f和电阻R1f~R4f组成；对外连接端口包括：电源输入正极端口VS+、电源输入负极端口VS-、小信号输入端口AFIN和放大信号输出端口AFOUT。

所述电阻R1f接于所述放大器U1f的1脚与2脚之间；所述放大器U1f的2脚接电源负端口VS-，3脚经电阻R2f接小信号输入端口AFIN，四脚接放大信号输出端口AFOUT，5脚接电源正端口VS+；电容C2f接于放大器U1f的2脚与5脚之间；电阻R3f与电容C1f并联后接于放大器U1f的3脚与4脚之间；电阻R4f接于放大器2脚与4脚之间。

所述放大器U1f需能够正常工作于小信号输入端口AFIN的电平比电源负端口VS-的电平低的情况，本实施例采用型号为LMV321dr-tr的精密低压运放。

如图6所示，所述核心处理单元由微处理器U1h、ESD器件E1h、电容C1h~C4h、电阻R1h~R3h和电感L1h组成；对外连接端口包括：电源输入正极端口VDD、电源输入负极端口VSS、模拟信号输入端口AFIN、第1路PWM差分信号输出端口PWM1+与PWM1-和第2路PWM差分信号输出端口PWM2+与PWM2-。

所述微处理器U1h的5脚和6脚分别连接到第2路PWM差分信号输出端口PWM2+和PWM2-，8脚经电阻R3h连接到模拟信号输入端口AFIN，9脚连接到电源负端口VSS，10脚经电感L1h连接到电源正端口VDD，11脚和12脚分别连接到第1路PWM差分信号输出端口PWM1+和PWM1-；电阻R2h接于所述微处理器U1h的1脚和9脚之间；电阻R1h接于所述微处理器U1h的4脚和10脚之间；电容C1h接于所述微处理器U1h的4脚和9脚之间；电容C2h接于所述微处理器U1h的8脚和9脚之间；电容C4h和ESD器件E1h并联后接于所述微处理器U1h的10脚和9脚之间；电容C3h接于所述微处理器U1h的9脚和模拟信号输入端口AFIN之间。

所述微处理器U3采用型号为STM32L011的低功耗单片机。

本发明所述核心处理单元应具有AD采样功能、可编程逻辑执行功能、PWM输出功能、温度检测功能及参数存储功能，因本实施例中所采用的微处理器具备以上全部功能，故所述核心处理单元在本发明的实例中仅为一片微处理器芯片及其完成工作所必须的外围电路。

如图7所示，所述可控恒流源单元由并联稳压源U1a、光耦U2a、N-JFET管Q1a~Q3a、N-MOS管Q4a、电阻R1a~R3a和电容C1a组成；对外连接端口包括：电源输入端口DYIN、电流输出端口DLOUT和1对控制端口PWMIN+与PWMIN-。

所述电阻R2a和电容C1a并联后接于所述光耦U2a的1脚和控制正端口PWMIN+之间；所述光耦U2a的2脚与3脚相连，4脚和5脚相连后连接到控制负端口PWMIN-，6脚和7脚相连，8脚和1脚相连，9脚和11脚相连后接到所述并联稳压源U1a的阳极、N-JFET管Q3a的控制极和电流输出端口DLOUT，10脚和12脚相连后连接到N-JFET管Q3a的源极，13脚和15脚相连后连接到所述并联稳压源U1a的阴极、N-JFET管Q2a的控制极和N-MOS管Q4a的控制极，14脚和16脚相连后连接到N-JFET管Q1a的控制极和N-JFET管Q2a的源极；所述N-JFET管Q1a的漏极接电源输入端口DYIN，源极接N-JFET管Q2a的漏极；所述并联稳压源U1a的参考极接N-MOS管Q4a的源极；所述N-MOS管Q4a的漏极接N-JFET管Q1a的漏极；所述电阻R1a并联于所述并联稳压源U1a的参考极和阳极两端；电阻R3a并联于所述并联稳压源U1a的阴极和阳极两端。

所述并联稳压源U1a的型号为AZ432；

所述N-JFET管的型号为2SK508 ；

所述光耦U2a采用型号为TLP281-4的普通四路光耦。

如图9所示，所述滤波器单元由电感L1b~L2b和电容C1b~C3b组成；对外连接端口包括：输入输出端口XHIO1~XHIO2和公共端口COM。

所述电感L1b和L2b相串联后接于输入输出端口XHIO1和XHIO2之间；电容C1b接于输入输出端口XHIO1和公共端口COM之间；电容C2b接于输入输出端口XHIO2和公共端口COM之间；电容C3b接于电感L1b和L2b的节点和公共端口COM之间。

所述电容C1b~C3b采用钽电容或者固态电解电容。

实施例_甲子：举例结束。

实施例_甲丑：图3、图4、图5、图6、图8和图9为本实施例的全部原理图。

参考图3所示的一种4~20mA信号隔离电路的顶层电路原理图2，其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列。

所述信号输出单元阵列包括2个信号输出单元组，即：n=2；

所述窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元以及2个信号输出单元组之间的连接方式同实施例_甲子，可控恒流源单元和滤波单元之间的连接方式亦同实施例_甲子，所不同之处在于：每1个信号输出单元组包含两个信号输出单元，即：m=2。

所述信号输出单元同实施例_甲子中的信号输出单元。

每1个信号输出单元组中的可控恒流源单元的控制端之间成级联关系。

所述窃电分流采样单元同实施例_甲子中的窃电分流采样单元。

所述小信号放大单元同实施例_甲子中的小信号放大单元。

所述核心处理单元同实施例_甲子中的核心处理单元。

如图8所示，所述可控恒流源单元由并联稳压源U1a、光耦U2a、N-JFET管Q1a~Q3a、N-MOS管Q4a、电阻R1a~R3a和电容C1a组成；对外连接端口包括：电源输入端口DYIN、电流输出端口DLOUT和1对控制端口PWMIN+与PWMIN-。

特别强调，本实施例中的可控恒流源单元与实施例_甲子中的可控恒流源单元之间的差别仅在于使用的光耦不同，其它元器件及对外端口则完全相同。因对外端口及功能与实施例_甲子中的可控恒流源单元相同，且符合本发明的原理框图，故本实施例中的可控恒流源单元并未重新命名，而是作为第二种实施例在本实施例中特别描述。

所述实施例_甲子中的可控恒流源单元与本实施例中的可控恒流源单元的不同之处在于：所述实施例_甲子中的可控恒流源单元的光耦采用两路光耦输入串联、输出并联的方式用以增加电流输出能力，而本实施例中的可控恒流源单元的每一路隔离仅使用一路光耦。

如图8所示，所述光耦U2a的1脚和4脚相连后经所述电阻R2a和电容C1a的并联电路接控制正端口PWMIN+；所述光耦U2a的2脚与3脚相连后连接到控制负端口PWMIN-，5脚连接到所述并联稳压源U1a的阳极、N-JFET管Q3a的控制极和电流输出端口DLOUT，6脚连接到到N-JFET管Q3a的源极，7脚连接到所述并联稳压源U1a的阴极、N-JFET管Q2a的控制极和N-MOS管Q4a的控制极，8脚连接到N-JFET管Q1a的控制极和N-JFET管Q2a的源极；所述N-JFET管Q1a的漏极接外部电源输入端口DYIN，源极接N-JFET管Q2a的漏极；所述并联稳压源U1a的参考极接N-MOS管Q4a的源极；所述N-MOS管Q4a的漏极接N-JFET管Q1a的漏极；所述电阻R1a并联于所述并联稳压源U1a的参考极和阳极两端；电阻R3a并联于所述并联稳压源U1a的阴极和阳极两端。

所述并联稳压源U1a的型号为AZ432；

所述N-JFET管的型号为2SK508 ；

所述光耦U2a采用型号为TLP281-2的普通双路光耦。

所述滤波单元同实施例_甲子中的滤波单元。

实施例_甲丑：举例结束。

参考图9所示一种4-20mA信号多功能隔离变送器的原理框图及应用说明框图，包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、多功能核心处理单元、数字信号输出单元和信号输出单元；所述信号输出单元包括可控恒流源单元和滤波单元。

如图10所示，源设备输出的4-20mA电流信号IAI经所述窃电分流采样单元的输入电流流入端口流入，从输入电流流出端口流出，从而形成电流回路，不影响源设备的工作和其所输出的IAI信号所承载的数据的准确性。电流IAI在经过所述窃电分流采样单元后会产生一个固定电压UO加一个采样电压UA，UO用以维持除窃电分流采样单元外的其它隔离前端电路的工作,其大小需满足所述多功能核心处理单元、小信号放大单元及数字信号输出单元的工作电压要求；UA是一个与IAI呈线性关系的电压，其相对于所述的UO呈现负压特性，且电压值很小；所述小信号放大单元设在所述窃电分流采样单元和多功能核心处理单元之间，用于将所述的负压采样信号UA转成正压并进行放大，其放大后的信号XUA送于核心处理单元进行AD转换；所述多功能核心处理单元将信号XUA转换成对应的数字值DA0，并根据内部温度传感器所采集的温度和设定的线性校准曲线对DA0进行温漂修正和线性修正，得到修正后的数字值DA，所述多功能核心处理单元将数字值DA转换PWM差分信号输出到信号输出单元中的可控恒流源单元的控制端，此PWM信号的脉宽均与所述的电流信号IAI成线性对应关系；同时，所述多功能核心处理单元将数字值DA暂存，然后以数字信号的形式经数字信号输出单元发送到与之进行通信的数字信号目标设备。

所述信号输出单元同实施例_甲子中的信号输出单元。

为便于理解，本实施例的电路使用了层次化设计，将整套电路划分为两层：顶层和底层。顶层电路限定了各子单元电路的接口及各接口之间的衔接关系，底层则对各子单元电路分别进行了内部设计。

实施例_乙子：图11、图12、图13、图4、图5、图7和图9为本实施例的全部原理图。

参考图11所示的一种4~20mA信号多功能变送器的顶层电路原理图，其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、多功能核心处理单元、数字信号输出单元和信号输出单元。

所述窃电分流采样单元的IN+和IN-端口作为1对电流输入端口分别连接到源设备的电流输出端口——电流输出+和电流输出-，VOUT+和VOUT-作为1对电压输出端口为隔离前端电路供电，其中VOUT-端口接地，VOUT+端口连接到所述多功能核心处理单元的电源输入正极端口VDD和所述小信号放大单元的电源输入正极端口VS+，采样信号输出端口IVOUT连接到所述小信号放大单元的采样信号输入端口AFIN；所述小信号放大单元的电源输入负极端口VS-接地，放大信号输出端口AFOUT连接到所述多功能核心处理单元的模拟信号输入端口AFIN；所述多功能核心处理单元的电源输入负极端口VSS接地，1组PWM信号差分输出端口PWM1+与PWM1-分别连接到所述可控恒流源单元的控制端口PWMIN+与PWMIN-，数字信号输出端口Rx和Tx连接到数字信号输出单元的甲组数字信号端口RXOUT和TXIN；所述可控恒流源单元的电源输入端口DYIN和电流输出端口DLOUT分别连接到所述滤波单元的公共端口COM和1个输入输出端口XHIO1；所述滤波单元的公共端口COM和另1个输入输出端口XHIO2分别连接到目标设备的电源正极和4~20mA信号输入端口。

所述目标设备所提供的电源电压需小于所述可控恒流源单元所能承受的最大电压，且大于等于其内部采样电阻、所述滤波单元的满量程压降及所述可控恒流源单元的导通压降之和，例如：所述4~20mA输入设备的内部采样电阻为150欧，滤波单元内阻为20欧，满量程输入电流为20mA，则满量程压降为3.4V，假设可控恒流源单元的导通压降为5V，能承受的最大电压为24V，则外部4~20mA输入设备所提供的电源电压应该在8.4V~24V之间。

底层电路描述如下：

所述窃电分流采样单元同本发明所述实施例_甲子中的窃电分流采样单元；

所述小信号放大单元同本发明所述实施例_甲子中的小信号放大单元；

如图12所示，所述多功能核心处理单元由微处理器U1h、ESD器件E1h、电容C1h~C4h、电阻R1h~R3h和电感L1h组成；对外连接端口包括：电源正端口VDD、电源负端口VSS、模拟信号输入端口AFIN、PWM差分信号输出端口PWM1+与PWM1-、Uart发送信号端口Tx和Uart接收信号端口Rx。

所述微处理器U1h的8脚经电阻R3h连接到模拟信号输入端口AFIN，9脚连接到电源负端口VSS，10脚经电感L1h连接到电源正端口VDD，11脚和12脚分别连接到PWM差分信号输出端口PWM1+和PWM1-，13脚Uart接收信号端口Rx，14脚连接到Uart发送信号端口Tx；电阻R2h接于所述微处理器U1h的1脚和9脚之间；电阻R1h接于所述微处理器U1h的4脚和10脚之间；电容C1h接于所述微处理器U1h的4脚和9脚之间；电容C2h接于所述微处理器U1h的8脚和9脚之间；电容C4h和ESD器件E1h并联后接于所述微处理器U1h的10脚和9脚之间；电容C3h接于所述微处理器U1h的9脚和模拟信号输入端口AFIN之间。

所述微处理器U3采用型号为STM32L011的低功耗单片机。

本发明所述多功能核心处理单元应具有Uart异步通信功能、AD采样功能、PWM输出功能、温度检测功能及参数存储功能，因本实施例中所采用的微处理器具备以上全部功能，故所述核心处理单元在本发明的实例中仅为一片微处理器芯片及其完成工作所必须的外围电路。

如图13所示，所述数字信号输出单元由窗口比较器芯片U1c与U3c、光耦U2c与U4c、电阻R1c~R8c、电容C1c~C3c和二极管D1c组成；对外连接端口包括：电源正端口VDD、电源负端口VSS、接收端输出端口RXOUT、发送端输入端口TXIN、接收端输入端口RXIN、发送端输出端口TXOUT和目标设备信号地端口GNDW。

所述电源正端口VDD和电源负端口VSS作为一对电源输入端口连接到所述窃电分流采样单元的电压输出端口；电源负端口VSS、接收端输出端口RXOUT和发送端输入端口TXIN作为数字信号端口甲连接到所述核心处理单元的相应数字端口；接收端输入端口RXIN、发送端输出端口TXOUT和目标设备信号地端口GNDW作为数字信号端口乙连接到数字信号目标设备的相应数字信号端口。

所述窗口比较器芯片U1c的2脚与所述光耦U4c的阴极相连后接电源负端口VSS，4脚与所述光耦U2c的集电极相连后接电源正端口VDD，5脚接接收端输出端口RXOUT，6脚经R3c与C1c的并联电路接所述光耦U2c的发射极；电阻R1c并联于窗口比较器芯片U1c的4脚和5脚之间；所述光耦U2c的发射极经电阻R5c接所述窗口比较器芯片U1c的2脚，阳极经电阻R2c与二极管DIc的阳极相连后接到接收端输入端口RXIN，阴极与窗口比较器芯片U3c的2脚相连后接目标设备信号地端口GNDW；所述窗口比较器芯片U3c的4脚与所述光耦U4c的集电极相连后接二极管DIc的阴极，5脚接发送端输出端口TXOUT，6脚经电阻R6c和电容C2c得我并联电路接于所述光耦U4c的发射极；电容C3c并联于所述窗口比较器芯片U3c的2脚和4脚之间；电阻R8c并联于所述窗口比较器芯片U3c的4脚和5脚之间；所述光耦U4c的发射极经电阻R4c接所述窗口比较器芯片U3c的2脚，阳极经电阻R7c接发送端输入端口TXIN。

所述窗口比较器芯片U1c和U3c的型号为CN305。

所述光耦U2c和U4c的型号为TLP281-1。

可以理解的是，数字信号的通信方式有许多种，本实施例仅以常见的Uart通信方式为例进行说明，而基于本发明所述技术方案，采用其它数字通信的方式所使用的技术方案，也应落入本发明所要求的权利保护范围之内。

所述可控恒流源单元同实施例_甲子中的可控恒流源单元。

所述滤波单元同实施例_甲子中的滤波单元。

实施例_乙子：举例结束。

本发明的工作原理：

因模拟信号的隔离器件普遍价格较高，价格低的隔离效果普遍不好，相比之下，数字信号的处理技术可谓花样繁多，且数字信号比模拟信号要稳定得多。故本发明的思路是将模拟信号转换为数字信号，然后对数字信号进行处理，进而隔离传输，最后或在输出端将数字信号还原为模拟信号，或直接处理数字信号，可视应用环境而定。

数模变换传输的方式有多种，本发明采用的脉宽调制方式。信号转换传输的流程图如图14所示。首先将输入的电流信号IAI转换成对应的电压信号UA，然后进行AD转换；考虑到即便是相同的元器件，其参数也会不一致，故可在AD转换后对所得的数字值进行修正（其修正系数来源于对电路的校准），得到IAI对应的数字值DA，到这里，AD转换已经完成，事实上如果应用场合拥有数字信号的接收功能，可以使用Uart或者其它数字信号传输的方式发送得到的数字值DA即可。

进一步的，考虑到应用场合只适用于模拟信号的情况，可对数字值DA进行二次修正后转换为对应占空比为AT的PWM信号（之所以对DA进行二次修正，是因为组成输出单元的元器件有差异性，需要对输出元器件进行差异性校准，得到PWM信号的修正参数，用于对数字值DA到PWM信号的转换做修正），然后对PWM信号进行隔离传输，再在输出端放置一个电流值为IAO的可控二端口恒流源，令其受PWM信号的控制而通断，则输出必将是占空比为AT、幅度为IAOM的脉冲电流信号，很显然其平均值必与输入的电流信号IAI成线性对应关系，那么只要对该脉冲电流信号进行滤波，便可得到与IAI成线性关系的平滑的输出信号IAO。

为节约成本并缩小体积，本发明舍去了一般隔离电路所必须的供电电路，取代以轻量化的并联稳压源，利用并联稳压源分流稳压的特性，为本发明所描述的电路供电。而输出端则引入可控二端口恒流源模型，用以与外部电流输入电路、外部电源形成电流环，并控制电流环的电流，来达到输出指定电流信号的目的。

有关窃电分流采样单元的工作原理：所述窃电分流采样单元所提供的电压值须满足核心处理单元和小信号放大单元的工作电压范围，并尽可能低；在应用到4~20mA信号多功能隔离变送器时，如果需要变送器工作于数字信号转模拟信号模式，且宿主设备不能提供恒流源驱动窃电分流采样单元时，可提供合适的电压施加于窃电分流采样采样单元的输入端，并调整电阻R1q的阻值，使窃电分流采样单元的稳压值大于宿主设备提供的电压，所述的4~20mA信号多功能隔离变送器便可工作。

有关可控恒流源单元的工作原理：本发明中描述的两种可控恒流源单元其实大同小异，所不同之处仅仅在于实施例_甲子中采用了光耦无损扩流电路，如此可在得到相同输出电流的情况下，降低输入端的电流，进而降低输入端电路的功耗。这两种可控恒流源单元均可抽象为一个恒流源和一个开关串联的电路模型，开关接通时，恒流源限定其所在支路的电流为IA，开关断开时，恒流源所在支路的电流为0，如此，所述可控恒流源单元输出的便是脉冲电流信号。在本电路中，光耦可看做开关，而恒流源则是以一种业界通用的恒流源电路为基础，并加以改进的一种恒流源电路。如图15所示的业界通用的恒流源电路，其缺点在于当恒流源两端的压降变化时，流过并联稳压源芯片的电流也会变化，造成此电路在恒流源两端的压降无法固定的情况下，其恒流值不够精确。而本发明将图15中并联稳压源上端的续流电阻R1替换为了由光耦输出端和JFET管组成的恒流源，如此便大大改善了图15所示的恒流源电路的电压特性。在控制方面，本发明所述的可控恒流源单元采用光耦推挽控制，附以JFET管为光耦的集电极-发射极进行分压，如此便大大提高了可控恒流源单元的通断速度。

所述光耦无损扩流电路指将两个或多个光耦的输入端级联，输出端并联的电路，因这种电路无需增加光耦输入端的输入电流，便可是光耦输出端的电流成倍增加，故命名为光耦无损扩流电路。

Claims (10)

1.一种4~20mA信号隔离电路，其特征在于其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列；

所述4~20mA信号为直流信号；

所述窃电分流采样单元负责从源设备的4~20mA信号输出端窃取能量并实现稳压输出，并为整个隔离采集器的隔离前端电路供电，且能够将信号输入端多余的电流进行分流传输；所述窃电分流采样单元还负责对信号输入端的电流进行采样，其采样信号发送到小信号放大单元；

所述的隔离前端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到源设备4~20mA信号输出端口之间的所有电路；

所述源设备指发送承载数据的信号的设备；

所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大后的信号发送到核心处理单元；

所述核心处理单元其负责对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D转换，并对A/D转换所得的数字值进行相应数据处理，然后将数据处理得到的数字值转换成n路相应占空比的PWM信号，通过n组PWM信号输出端口发送到信号输出单元阵列；

所述信号输出单元阵列由n行信号输出单元组组成，所述信号输出单元组由m个信号输出单元组成，所述信号输出单元包括可控恒流源单元和滤波单元；

所述m和n为正整数，m的值受核心处理单元的PWM信号输出端的驱动能力及可控恒流源单元控制端压降的限制；n的值受所述核心处理单元拥有的PWM信号输出端的数量及所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流限制；

所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述隔离前端电路的最小正常工作电流之和；

所述可控恒流源单元为指定恒流值的、拥有电气隔离控制端并能快速通断的恒流源电路，其受核心处理单元的控制而输出脉冲电流到滤波单元；

所述滤波单元为1阶或多阶低通滤波电路，其对可控恒流源单元输出的脉冲电流进行滤波并将滤波后的电流输出到目标设备；

所述目标设备指接收承载数据的信号的设备。

2.根据权利要求1所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述窃电分流采样单元包括1对电流输入端口、1对电压输出端口和1个采样信号输出端口，所述小信号放大单元包括1对电压输入端口、1个采样信号输入端口和1个放大信号输出端口，所述核心处理单元包括1对电压输入端口、1个模拟信号输入端口和n组PWM信号输出端口，所述可控恒流源单元包括1组控制端口、1个电源输入端口和1个电流输出端口，所述滤波单元包括1对输入输出端口和1个公共端口；

所述窃电分流采样单元的电流输入端口连接到源设备的4~20mA信号输出端口，电压输出端口连接到所述小信号放大单元和核心处理单元的电压输入端口，采样信号输出端口连接到小信号放大单元的采样信号输入端口；所述小信号放大单元的放大信号输出端口连接到所述核心处理单元的模拟信号输入端口；所述核心处理单元的N组PWM信号输出端口与N组信号输出单元组的控制端分别一一对应连接；

所述可控恒流源单元的电源输入端口连接到目标设备的电源正极输出端，电流输出端口连接到滤波单元的一个输入输出端口；所述滤波单元的另一个输入输出端口连接目标设备的电流输入端口，公共端连接到目标设备的电源正极输出端；

所述目标设备指接收承载数据的信号的设备；

所述信号输出单元组的控制端为同一个信号输出单元组中的可控恒流源单元的控制端通过级联或者并联的方式组成的总控制端。

3.根据权利要求2所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的正常工作电压应不大于所对接源设备的信号输出端在接入最大负载时的输出电压，最大承受电压应不大于所对接源设备的信号输出端的开路电压，最大允许工作电流应不大于所对接源设备的信号输出端所输出的代表有效数据的最小电流，最大承受电流应不小于所对接源设备的信号输出端所输出的最大有效电流。

4.根据权利要求3所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述核心处理单元应具有AD采样功能、PWM输出功能、温度检测功能及参数存储功能，且必须包含一片微处理器芯片。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述可控恒流源单元由并联稳压源U1a、光耦U2a、N-JFET管Q1a~Q3a、N-MOS管Q4a、电阻R1a~R3a和电容C1a组成；对外连接端口包括：电源输入端口DYIN、电流输出端口DLOUT和1对控制端口PWMIN+与PWMIN-；

所述光耦U2a的1脚和4脚相连后经所述电阻R2a和电容C1a的并联电路接控制正端口PWMIN+；所述光耦U2a的2脚与3脚相连后连接到控制负端口PWMIN-，5脚连接到所述并联稳压源U1a的阳极、N-JFET管Q3a的控制极和电流输出端口DLOUT，6脚连接到到N-JFET管Q3a的源极，7脚连接到所述并联稳压源U1a的阴极、N-JFET管Q2a的控制极和N-MOS管Q4a的控制极，8脚连接到N-JFET管Q1a的控制极和N-JFET管Q2a的源极；所述N-JFET管Q1a的漏极接外部电源输入端口DYIN，源极接N-JFET管Q2a的漏极；所述并联稳压源U1a的参考极接N-MOS管Q4a的源极；所述N-MOS管Q4a的漏极接N-JFET管Q1a的漏极；所述电阻R1a并联于所述并联稳压源U1a的参考极和阳极两端；电阻R3a并联于所述并联稳压源U1a的阴极和阳极两端；

所述并联稳压源U1a的型号为AZ432；

所述N-JFET管Q1a~Q3a的型号为2SK508；

所述光耦U2a采用型号为TLP281-2的普通双路光耦。

6.一种4~20mA信号多功能隔离变送器，其特征在于其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、多功能核心处理单元、数字信号输出单元和1组信号输出单元；

所述窃电分流采样单元负责从源设备的4~20mA信号输出端窃取能量并实现稳压输出，并为整个隔离采集器的隔离前端电路供电，且能够将信号输入端多余的电流进行分流传输；所述窃电分流采样单元还负责对信号输入端的电流进行采样，其采样信号发送到小信号放大单元；

所述的隔离前端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到源设备4~20mA信号输出端口之间的所有电路；

所述源设备指发送承载数据的信号的设备；

所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大后的信号发送到多功能核心处理单元；

所述多功能核心处理单元用于对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D变换，并进行相应的数据处理，然后将得到的数字值DA转换成相应占空比的脉宽调制（PWM）信号，通过PWM信号输出端口发送到信号输出单元；同时，多功能核心处理单元还提供数字信号通信接口，可将数字值DA以数字信号的方式发送给与之通信的外部设备；

所述数字信号输出单元用于对所述多功能核心处理单元与数字信号目标设备的通信进行隔离；

所述信号输出单元包括可控恒流源单元和滤波单元；

所述可控恒流源单元为指定恒流值的、拥有电气隔离控制端并能快速通断的恒流源电路，其受核心处理单元的控制而输出脉冲电流到滤波单元；

所述滤波单元为1阶或多阶低通滤波电路，其对可控恒流源单元输出的脉冲电流进行滤波并将滤波后的电流输出到目标设备；

所述目标设备指接收承载数据的信号的设备。

7.根据权利要求6所述的4~20mA信号多功能隔离变送器，其特征在于所述窃电分流采样单元包括1对电流输入端口、1对电压输出端口和1个采样信号输出端口，所述小信号放大单元包括1对电压输入端口、1个采样信号输入端口和1个放大信号输出端口，所述多功能核心处理单元包括1对电压输入端口、1个模拟信号输入端口、1组PWM信号输出端口和1组数字信号通信端口，所述数字信号输出单元包括1对电源输入端口、1组与核心处理单元通信的数字通信端口甲和1组与目标设备通信的数字通信端口乙，数字通信端口甲和数字通信端口乙之间呈电气隔离特性，所述可控恒流源单元包括1组控制端口、1个电源输入端口和1个电流输出端口，所述滤波单元包括1对输入输出端口和1个公共端口；

所述窃电分流采样单元的电流输入端口连接到源设备的电流输出端口，电压输出端口连接到所述小信号放大单元和多功能核心处理单元的电压输入端口，采样信号输出端口连接到小信号放大单元的采样信号输入端口；所述小信号放大单元的放大信号输出端口连接到所述核心处理单元的模拟信号输入端口；所述多功能核心处理单元的PWM信号输出端口连接到所述可控恒流源单元的控制端，数字通信端口连接到所述数字信号输出单元的数字通信端口甲；所述可控恒流源单元的电源输入端口连接到目标设备的电源正极输出端，电流输出端口连接到滤波单元的一个输入输出端口；所述滤波单元的另一个输入输出端口连接目标设备的电流输入端口，公共端连接到目标设备的电源正极输出端；

所述隔离信号输出单元的数字通信端口乙连接到数字信号目标设备的数字通信端口；

所述数字信号目标设备指通过数字信号与所述4~20mA信号多功能隔离变送器通信而获取源设备发送的数据信息的设备。

8.根据权利要求7所述的4~20mA信号多功能隔离变送器，其特征在于所述的4~20mA信号多功能隔离变送器的隔离前端电路的正常工作电压应不大于所对接源设备的信号输出端在接入最大负载时的输出电压，最大承受电压应不大于所对接源设备的信号输出端的开路电压，最大允许工作电流应不大于所对接源设备的信号输出端所输出的代表有效数据的最小电流，最大承受电流应不小于所对接源设备的信号输出端所输出的最大有效电流；

所述的4~20mA信号多功能变送器的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述的4~20mA信号多功能变送器的隔离前端电路的最小正常工作电流之和。

9.根据权利要求8所述的4~20mA信号多功能隔离变送器，其特征在于所述多功能核心处理单元应具有AD采样功能、相应的数字通信功能、PWM输出功能、温度检测功能及参数存储功能，且必须包含一片微处理器芯片。

10.根据权利要求9所述的4~20mA信号多功能隔离变送器，其特征在于所述数字信号输出单元由窗口比较器芯片U1c与U3c、光耦U2c与U4c、电阻R1c~R8c、电容C1c~C3c和二极管D1c组成；对外连接端口包括：电源正端口VDD、电源负端口VSS、接收端输出端口RXOUT、发送端输入端口TXIN、接收端输入端口RXIN、发送端输出端口TXOUT和目标设备信号地端口GNDW；

所述电源正端口VDD和电源负端口VSS作为一对电源输入端口连接到所述窃电分流采样单元的电压输出端口；电源负端口VSS、接收端输出端口RXOUT和发送端输入端口TXIN作为数字信号端口甲连接到所述核心处理单元的相应数字端口；接收端输入端口RXIN、发送端输出端口TXOUT和目标设备信号地端口GNDW作为数字信号端口乙连接到数字信号目标设备的相应数字信号端口；

所述窗口比较器芯片U1c的2脚与所述光耦U4c的阴极相连后接电源负端口VSS，4脚与所述光耦U2c的集电极相连后接电源正端口VDD，5脚接接收端输出端口RXOUT，6脚经R3c与C1c的并联电路接所述光耦U2c的发射极；电阻R1c并联于窗口比较器芯片U1c的4脚和5脚之间；所述光耦U2c的发射极经电阻R5c接所述窗口比较器芯片U1c的2脚，阳极经电阻R2c与二极管DIc的阳极相连后接到接收端输入端口RXIN，阴极与窗口比较器芯片U3c的2脚相连后接目标设备信号地端口GNDW；所述窗口比较器芯片U3c的4脚与所述光耦U4c的集电极相连后接二极管DIc的阴极，5脚接发送端输出端口TXOUT，6脚经电阻R6c和电容C2c得我并联电路接于所述光耦U4c的发射极；电容C3c并联于所述窗口比较器芯片U3c的2脚和4脚之间；电阻R8c并联于所述窗口比较器芯片U3c的4脚和5脚之间；所述光耦U4c的发射极经电阻R4c接所述窗口比较器芯片U3c的2脚，阳极经电阻R7c接发送端输入端口TXIN；

所述窗口比较器芯片U1c和U3c的型号为CN305；

所述光耦U2c和U4c的型号为TLP281-1。