CN109831189B - 一种电压或电流可选的单通道输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压或电流可选的单通道输出电路，包括变换电路、电压选控电路和电流选控电路，变换电路用于将信号输入端口的电压信号转换成电流信号、或者将信号输入端口的电流信号转换成电压信号；电压选控电路用于在接收到电压输出信号时，将电压信号传输至信号输出端口；电流选控电路用于在接收到电流输出信号时，将电流信号传输至信号输出端口。采用变换电路对电压信号和电流信号进行转换，利用电压选控电路和电流选控电路，预设信号输出端口的信号为电压信号或者电流信号，不仅能实现控制板对不同工业设备的兼容性，而且一个通道即可实现电压信号或电流信号的选择输出，极大地减少了DA转换芯片，降低了控制板的成本和布线难度。

Description

一种电压或电流可选的单通道输出电路

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，具体涉及一种电压或电流可选的单通道输出电路。

背景技术

在工业控制现场，由于各用户配备的设备不同，有的现场需要控制板提供电压信号，来作为用户方被控设备的控制源；有的现场需要控制板提供电流信号，来作为用户方被控设备的控制源。为了满足不同工业设备的控制需求，控制板既要设计电压选控电路，也要设计电流选控电路。

现有的控制板主要采用两个不同的DA通道，分别设计电压选控电路和电流选控电路，某个通道只能输出电压信号或者电流信号。然而用户的控制现场往往需要多个电压信号或者电流信号，导致控制板需要多个DA转换芯片，不仅增加了控制板的生成成本，还增大了控制板的体积及布线难度。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何既能保障控制板对不同设备的兼容性，又能提高DA通道的利用率，缩小了控制板体积，降低控制板的成本。

为达到以上目的，本发明提供的一种电压或电流可选的单通道输出电路，包括信号输入端口和信号输出端口，信号输入端口用于输入电压信号或者电流信号，所述单通道输出电路还包括变换电路、电压选控电路和电流选控电路，变换电路用于将信号输入端口的电压信号转换成电流信号、或者将信号输入端口的电流信号转换成电压信号；电压选控电路用于在接收到电压输出信号时，将电压信号传输至信号输出端口；电流选控电路用于在接收到电流输出信号时，将电流信号传输至信号输出端口。

在上述技术方案的基础上，当信号输入端口接收到的信号为电压信号时，所述电压选控电路包括用于接收电压输出信号的接收端、与信号输入端口连接的输入端、与信号输出端口连接的输出端；

所述变换电路用于将信号输入端口接收到的电压信号转换成电流信号；所述电流选控电路包括用于接收电流输出信号的接收端、与变换电路连接的输入端、与信号输出端口连接的输出端。

在上述技术方案的基础上，所述电压选控电路包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的b极与接收端之间连接有电阻R1，三极管Q1的e极接地，三极管Q1的c极与+15V电源之间连接有电阻R3，三极管Q1的c极与三极管Q2的b极连接；三极管Q2的c极与信号输入端口连接，三极管Q2的e极与信号输出端口连接；

所述电流选控电路包括三极管Q3和三极管Q4，三极管Q3的b极与接收端之间连接有电阻R4，三极管Q3的e极接地，三极管Q3的c极与+15V电源之间连接有电阻R6，三极管Q3的c极与三极管Q4的b极连接；三极管Q4的c极与变换电路的输出端连接，三极管Q4的e极与信号输出端口连接。

在上述技术方案的基础上，所述变换电路包括运算放大器U和三极管Q5，运算放大器U的反向输入端与信号输入端口之间连接有电阻R7，运算放大器U的反向输入端与电流选控电路之间连接有电阻R9，运算放大器U的正向输入端通过电阻R8接地，运算放大器U的输出端与三极管Q5的b极之间连接有电阻R10，运算放大器U的正向输入端与三极管Q5的e极之间连接有与电阻R9阻值相等的电阻R11(即R9＝R11)，三极管Q5的e极与电流选控电路之间连接有R12，三极管Q5的c极连接电源+15V。

在上述技术方案的基础上，所述电阻R9和电阻R11均可由两个以上的电阻串联或并联组成。

在上述技术方案的基础上，当信号输入端口接收到的信号为电流信号时，所述电流选控电路包括用于接收电流输出信号的接收端、与信号输入端口连接的输入端、与信号输出端口连接的输出端；

所述变换电路用于将信号输入端口接收到的电流信号转换成电压信号；所述电压选控电路用于接收电压输出信号的接收端、与变换电路连接的输入端、与信号输出端口连接的输出端。

在上述技术方案的基础上，所述电流选控电路包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的b极与接收端之间连接有电阻R1，三极管Q1的e极接地，三极管Q1的c极与+15V电源之间连接有电阻R3，三极管Q1的c极与三极管Q2的b极连接；三极管Q2的c极与信号输入端口连接，三极管Q2的e极与信号输出端口连接；

所述电流选控电路包括三极管Q3和三极管Q4，三极管Q3的b极与接收端之间连接有电阻R4，三极管Q3的e极接地，三极管Q3的c极与+15V电源之间连接有电阻R6，三极管Q3的c极与三极管Q4的b极连接；三极管Q4的c极与变换电路的输出端连接，三极管Q4的e极与信号输出端口连接。

在上述技术方案的基础上，所述变换电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19，电阻R13两端分别与信号输入端口和电压选控电路连接，R14和R15串联后一端接地，另一端与电压选控电路连接；电阻R16和电阻R17串联后，与串联的R14和R15并联；电阻R18和电阻R19串联后，与串联的R14和R15并联。

在上述技术方案的基础上，所述变换电路还包括发光二极管D2，发光二极管D2的负极与电压选控电路连接，用于显示变换电路的电压信号是否输出。

在上述技术方案的基础上，所述三极管Q1的b极与e极之间连接有电阻R2，所述三极管Q3的b极与e极之间连接有电阻R5；所述三极管Q4的e极与信号输出端口之间连接有二极管D1，二极管D1的正极与三极管Q4的e极连接，二极管D1的负极与信号输出端口连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)当控制板的信号类型与现场需要的控制信号类型不同时，采用变换电路对电压信号和电流信号进行转换，以满足不同设备的控制需求；

2)根据现场设备的控制需要，利用电压选控电路和电流选控电路，预设信号输出端口OUT的信号为电压信号或者电流信号，不仅能实现控制板对不同工业设备的兼容性，而且仅需要一个DA通道即可实现电压信号或电流信号的选择输出，极大地减少了DA转换芯片，降低了控制板的成本和布线难度，还减小了控制板的体积；

3)利用运放虚短虚断的原理，本发明设计的V-I变换电路的输出电流与输出端的外接负载无关，不仅通过信号源输入的电压改变，来调整输出信号的电流，而且采用三极管来满足电流驱动能力的需求；

4)在I-V变换电路中，利用多个串并联支路构成一个电阻组件，不仅可减小等效电阻误差，提高转换精度，同时通过配置不同的电阻，得到不同的对应关系，能适应不同的应用场景，应用广泛。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中V-I变换电路的结构示意图。

图3为本发明的另一个结构示意图。

图4为本发明中I-V变换电路的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

实施例1：一种电压或电流可选的单通道输出电路，参见图1所示，包括信号输入端口Vs、信号输出端口OUT、变换电路、电压选控电路和电流选控电路，信号输入端口Vs用于输入电压信号或者电流信号；变换电路用于将信号输入端口Vs的电压信号转换成电流信号、或者将信号输入端口Vs的电流信号转换成电压信号；电压选控电路用于在接收到电压输出信号时，将电压信号传输至信号输出端口OUT；电流选控电路用于在接收到电流输出信号时，将电流信号传输至信号输出端口OUT。

在本发明实施例中，当控制板的信号类型与现场需要的控制信号类型不同时，采用变换电路对电压信号和电流信号进行转换，以满足不同设备的控制需求；根据现场设备的控制需要，利用电压选控电路和电流选控电路，预设信号输出端口OUT的信号为电压信号或者电流信号，不仅能实现控制板对不同工业设备的兼容性，而且仅需要一个DA通道即可实现电压信号或电流信号的选择输出，极大地减少了DA转换芯片，降低了控制板的成本和布线难度，还减小了控制板的体积。

本发明的创新之处在于：采用变换电路对电压信号和电流信号进行转换，将两个不同的通道设计为一个通道，实现电压信号或电流信号的选择输出，既能保障控制板对不同设备的兼容性，又能提高DA通道的利用率。这是本领域普通技术人员难以想到的，其原因在于：

1)如背景技术所述，为实现控制板对不同设备的兼容性，本领域普通技术人员均采用两个不同的DA通道，分别设计电压选控电路和电流选控电路，即：控制板的兼容性问题已得到“完美”的解决方案，克服了现有技术中单通道输出电路不能实现电压或电流可选输出的技术偏见，故不经过反复思考和探索(即付出创造性劳动)没有动机想到该技术问题；

2)未查阅到本申请技术方案的文献记载，即：将两个不同的通道合并成一个单通道，既可以输出电流信号，也可以输出电压信号，来成倍提高了DA通道的利用率，本领域普通技术人员没有技术启示。

实施例2：在实施例1的基础上，参见图1所示，当信号输入端口Vs接收到的信号为电压信号时，所述电压选控电路包括用于接收电压输出信号的接收端、与信号输入端口Vs连接的输入端、与信号输出端口OUT连接的输出端，当接收端接收到电压输出信号时，电压选控电路用于将信号输入端口Vs的信号传输至信号输出端口OUT；

所述变换电路为V-I变换电路，用于将信号输入端口Vs接收到的电压信号转换成电流信号；所述电流选控电路包括用于接收电流输出信号的接收端、与V-I变换电路连接的输入端、与信号输出端口OUT连接的输出端，当接收端接收到电流输出信号时，电流选控电路用于将V-I变换电路转换后的电流信号传输至信号输出端口OUT。

在本发明实施例中，当单通道输出电路的信号输入端口Vs接收到的信号为电压信号时，将V-I变换电路与电流选控电路连接后，与电压选控电路并联，分别构成两条并联的电流输出支路和电压输出支路，用户根据现场设备的控制需要，选择与之相匹配的电压输出信号或者电流输出信号，从而控制输出信号的类型与现场设备要求的类型相同，进而确保控制板对不同工业设备的兼容性。

实施例3：在实施例2的基础上，参见图1所示，所述电压选控电路包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的b极与接收端之间连接有电阻R1，三极管Q1的e极接地，三极管Q1的c极与+15V电源之间连接有电阻R3，三极管Q1的c极与三极管Q2的b极连接；三极管Q2的c极与信号输入端口Vs连接，三极管Q2的e极与信号输出端口OUT连接。

所述电流选控电路包括三极管Q3和三极管Q4，三极管Q3的b极与接收端之间连接有电阻R4，三极管Q3的e极接地，三极管Q3的c极与+15V电源之间连接有电阻R6，三极管Q3的c极与三极管Q4的b极连接；三极管Q4的c极与V-I变换电路的输出端连接，三极管Q4的e极与信号输出端口OUT连接。

在本发明实施例中，输出控制信号包括一对互补的电压选控信号V_ctr和电流选控信号I_ctr。参见图1所示，当电压选控电路的接收端收到的电压选控信号V_ctr为低电平时，则电流选控电路的接收端收到的电流选控信号I_ctr为高电平；三极管Q1工作于截至区，则三极管Q2的b极为高电平，三极管Q2导通，三极管Q3导通，工作在饱和区，则Q3的c极此时变为低电平，三极管Q4工作于截至区，所以信号输入端口Vs通过三极管Q2连接信号输出端口OUT，此时该通道便为电压信号输出。

同理，参见图1所示，当电压选控电路的接收端收到的电压选控信号V_ctr为高电平时，则电流选控电路的接收端收到的电流选控信号I_ctr为低电平；三极管Q1导通，工作在饱和区，则Q1的c极此时变为低电平，三极管Q2工作于截至区，Q3也工作于截至区，Q3的c极此时变为高电平，三极管Q4导通，工作在饱和区，输出信号源Vs便经过V-I变换电路转化为电流信号，通过三极管Q4连接到信号输出端口OUT，此时该通道便为电流信号输出。

实施例4：在实施例2的基础上，参见图2所示，所述V-I变换电路包括运算放大器U和三极管Q5，运算放大器U的反向输入端与信号输入端口Vs之间连接有电阻R7，运算放大器U的反向输入端与电流选控电路之间连接有电阻R9，运算放大器U的正向输入端通过电阻R8接地，运算放大器U的输出端与三极管Q5的b极之间连接有电阻R10，运算放大器U的正向输入端与三极管Q5的e极之间连接有与电阻R9阻值相等的电阻R11(即R9＝R11)，三极管Q5的e极与电流选控电路之间连接有R12，三极管Q5的c极连接电源+15V。

在本发明实施例中，参见图2所示，Uout为电压输入信号，Iout为电流输出信号；假设运算放大器U反向输入端的电压为U0，运算放大器U正向输入端的电压也为UO，取电阻R12与三极管Q5连接的一端的电压为U1，电阻R12与电流选控电路连接的一端的电压为U1，根据运放虚短虚断的原理，(Uout-U0)/R7＝(U0-U2)/R9，UO/R8＝(U1-U0)/R11，由于R9＝R11，根据上述两式可计算得到U1-U2＝Uout/R11。

根据运放虚断的原理，流过R12的电流即为输出电流Iout，Iout＝(U1-U2)/R12＝Uout/(R11*R12)，根据结果可以看出，V-I变换电路的输出电流与输出端外接负载无关，当R11和R12的阻值一定时，只要改变Uout便可以调整输出电流。此外，由于运算放大器U的电流驱动能力有限，本发明实施例特增设三极管Q5来满足电流驱动能力需求。

实施例5：在实施例4的基础上，所述电阻R9和电阻R11均可由两个以上的电阻串联或并联组成。

在本发明实施例中，电阻R9和电阻R11均采用两个以上的电阻串联或并联，使得V-I变换电路中各支路的电阻相匹配，从而确保V-I变换电路的正常运行。

实施例6：在实施例1的基础上，参见图3所示，当信号输入端口Is接收到的信号为电流信号时，所述电流选控电路包括用于接收电流输出信号的接收端、与信号输入端口Is连接的输入端、与信号输出端口OUT连接的输出端，当接收端接收到电流输出信号时，电流选控电路用于将信号输入端口Is的信号传输至信号输出端口OUT；

所述变换电路为I-V变换电路，用于将信号输入端口Is接收到的电流信号转换成电压信号；所述电压选控电路用于接收电压输出信号的接收端、与I-V变换电路连接的输入端、与信号输出端口OUT连接的输出端，当接收端接收到电压输出信号时，电压选控电路用于将I-V变换电路转换后的电压信号传输至信号输出端口OUT。

在本发明实施例中，当单通道输出电路的信号输入端口Is接收到的信号为电流信号时，将I-V变换电路与电压选控电路连接后，与电流选控电路并联，分别构成两条并联的电流输出支路和电压输出支路，用户根据现场设备的控制需要，选择与之相匹配的电压输出信号或者电流输出信号，从而控制输出信号的类型与现场设备要求的类型相同，进而确保控制板对不同工业设备的兼容性。

实施例7：在实施例6的基础上，参见图3所示，所述电流选控电路包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的b极与接收端之间连接有电阻R1，三极管Q1的e极接地，三极管Q1的c极与+15V电源之间连接有电阻R3，三极管Q1的c极与三极管Q2的b极连接；三极管Q2的c极与信号输入端口Is连接，三极管Q2的e极与信号输出端口OUT连接。

所述电流选控电路包括三极管Q3和三极管Q4，三极管Q3的b极与接收端之间连接有电阻R4，三极管Q3的e极接地，三极管Q3的c极与+15V电源之间连接有电阻R6，三极管Q3的c极与三极管Q4的b极连接；三极管Q4的c极与I-V变换电路的输出端连接，三极管Q4的e极与信号输出端口OUT连接。

在本发明实施例中，输出控制信号包括一对互补的电压选控信号V_ctr和电流选控信号I_ctr。参见图3所示，当电压选控电路的接收端收到的电压选控信号V_ctr为低电平时，则电流选控电路的接收端收到的电流选控信号I_ctr为高电平；三极管Q1导通，工作在饱和区，则三极管Q2的b极为低电平，三极管Q2工作于截至区，同时Q3的c极此时变为低电平，Q3工作于截至区，三极管Q4导通，工作在饱和区，输出信号源Vs便经过I-V变换电路转化为电压信号，通过三极管Q4连接信号输出端口OUT，此时该通道便为电压信号输出。

同理，参见图3所示，当电压选控电路的接收端收到的电压选控信号V_ctr为高电平时，则电流选控电路的接收端收到的电流选控信号I_ctr为低电平；三极管Q3导通，工作在饱和区，则Q3的c极此时变为低电平，三极管Q4工作于截至区，Q1也工作于截至区，Q1的c极此时变为高电平，三极管Q2导通，工作在饱和区，输出信号源Vs通过三极管Q2连接到信号输出端口OUT，此时该通道便为电流信号输出。

实施例8：在实施例6的基础上，参见图4所示，所述I-V变换电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19，电阻R13两端分别与信号输入端口Is和电压选控电路连接，R14和R15串联后一端接地，另一端与电压选控电路连接；电阻R16和电阻R17串联后，与串联的R14和R15并联；电阻R18和电阻R19串联后，与串联的R14和R15并联。

参见图4所示，Iout为电流输入信号，Uout为电压输出信号,Uout＝Iout*(R14+R15)(R16+R17)(R18+R19)/(R14+R15+R16+R17+R18+R19)。由于每个电阻本身都有一定的阻值偏差与功率上限，若采用单个电阻，电路会存在较大的误差和电阻功率不够的情况。本发明实施例中，将两个电阻串联成一个支路，一共串联成三个支路，再将三个支路两端并联构成一个电阻组件，不仅可减小等效电阻误差，提高转换精度，同时通过配置不同的电阻，得到不同的对应关系，从而适应不同的应用场景。

实施例9：在实施例8的基础上，参见图4所示，所述I-V变换电路还包括发光二极管D2，发光二极管D2的负极与电压选控电路连接，用于显示I-V变换电路的电压信号是否输出。

在本发明实施例中，当电压选控电路用于将I-V变换电路转换后的电压信号传输至信号输出端口OUT时，发光二极管D2进行发光显示，减少了现有控制板中的信号回路，有利于缩小了控制板体积和降低控制板的成本。

实施例10：在实施例3或7的基础上，参见图1和3所示，所述三极管Q1的b极与e极之间连接有电阻R2，所述三极管Q3的b极与e极之间连接有电阻R5；所述三极管Q4的e极与信号输出端口OUT之间连接有二极管D1，二极管D1的正极与三极管Q4的e极连接，二极管D1的负极与信号输出端口OUT连接。

在本发明实施例中，利用电阻(R2、R5)分别将三极管(Q1和Q3)的b极与e极连接，当输出控制信号发生变化时，能尽快释放三极管(Q1和Q3)的电能，实现快速关断，减少延时。采用二极管D1能有效防止电流的反向，有利于保护电路。

本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种电压或电流可选的单通道输出电路，包括信号输入端口和信号输出端口，信号输入端口用于输入电压信号或者电流信号，其特征在于：所述单通道输出电路还包括变换电路、电压选控电路和电流选控电路，变换电路用于将信号输入端口的电压信号转换成电流信号、或者将信号输入端口的电流信号转换成电压信号；电压选控电路包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的b极与接收端之间连接有电阻R1，三极管Q1的e极接地，三极管Q1的c极与+15V电源之间连接有电阻R3，三极管Q1的c极与三极管Q2的b极连接；三极管Q2的c极与信号输入端口连接，三极管Q2的e极与信号输出端口连接，电压选控电路用于在接收到电压输出信号时，将电压信号传输至信号输出端口；电流选控电路包括三极管Q3和三极管Q4，三极管Q3的b极与接收端之间连接有电阻R4，三极管Q3的e极接地，三极管Q3的c极与+15V电源之间连接有电阻R6，三极管Q3的c极与三极管Q4的b极连接；三极管Q4的c极与变换电路的输出端连接，三极管Q4的e极与信号输出端口连接，电流选控电路用于在接收到电流输出信号时，将电流信号传输至信号输出端口。

2.如权利要求1所述的一种电压或电流可选的单通道输出电路，其特征在于：所述变换电路包括运算放大器U和三极管Q5，运算放大器U的反向输入端与信号输入端口之间连接有电阻R7，运算放大器U的反向输入端与电流选控电路之间连接有电阻R9，运算放大器U的正向输入端通过电阻R8接地，运算放大器U的输出端与三极管Q5的b极之间连接有电阻R10，运算放大器U的正向输入端与三极管Q5的e极之间连接有与电阻R9阻值相等的电阻R11，三极管Q5的e极与电流选控电路之间连接有R12，三极管Q5的c极连接电源+15V。

3.如权利要求2所述的一种电压或电流可选的单通道输出电路，其特征在于：所述电阻R9和电阻R11由两个以上的电阻串联或并联组成。

4.如权利要求1所述的一种电压或电流可选的单通道输出电路，其特征在于：当信号输入端口接收到的信号为电流信号时，所述电流选控电路包括用于接收电流输出信号的接收端、与信号输入端口连接的输入端、与信号输出端口连接的输出端；

所述变换电路用于将信号输入端口接收到的电流信号转换成电压信号；所述电压选控电路包括用于接收电压输出信号的接收端、与变换电路连接的输入端、与信号输出端口连接的输出端。

5.如权利要求2所述的一种电压或电流可选的单通道输出电路，其特征在于：所述电流选控电路包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的b极与接收端之间连接有电阻R1，三极管Q1的e极接地，三极管Q1的c极与+15V电源之间连接有电阻R3，三极管Q1的c极与三极管Q2的b极连接；三极管Q2的c极与信号输入端口连接，三极管Q2的e极与信号输出端口连接；

所述电压选控电路包括三极管Q3和三极管Q4，三极管Q3的b极与接收端之间连接有电阻R4，三极管Q3的e极接地，三极管Q3的c极与+15V电源之间连接有电阻R6，三极管Q3的c极与三极管Q4的b极连接；三极管Q4的c极与变换电路的输出端连接，三极管Q4的e极与信号输出端口连接。

6.如权利要求4所述的一种电压或电流可选的单通道输出电路，其特征在于：所述变换电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19，电阻R13两端分别与信号

输入端口和电压选控电路连接，R14和R15串联后一端接地，另一端与电压选控电路连接；电阻R16和电阻R17串联后，与串联的R14和R15并联；电阻R18和电阻R19串联后，与串联的R14和R15并联。

7.如权利要求6所述的一种电压或电流可选的单通道输出电路，其特征在于：所述变换电路还包括发光二极管D2，发光二极管D2的负极与电压选控电路连接，用于显示变换电路的电压信号是否输出。

8.如权利要求1或5所述的一种电压或电流可选的单通道输出电路，其特征在于：所述三极管Q1的b极与e极之间连接有电阻R2，所述三极管Q3的b极与e极之间连接有电阻R5；所述三极管Q4的e极与信号输出端口之间连接有二极管D1，二极管D1的正极与三极管Q4的e极连接，二极管D1的负极与信号输出端口连接。

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