CN112666861A - 基于分立半导体的可配置电压输出装置、方法和控制器 - Google Patents

Abstract

本申请属于自动化控制技术领域，具体涉及一种基于分立半导体的可配置电压输出装置、方法和控制器。该装置包括：PWM信号生成模块、电压配置模块、选频模块、运算模块，PWM信号生成模块用于生成PWM信号，电压配置模块用于改变PWM信号的占空比，选频模块用于进行频率选择，运算模块用于通过运算电路得到满足外部设备要求的输出电压。通过本申请的装置能够实现多种电压输出范围，具有多通道、低成本、可配置的优点，可满足多种电压输出需求；并且由于采用分立元件，与采用进口集成芯片相比更便于改进。

Description

基于分立半导体的可配置电压输出装置、方法和控制器

技术领域

本申请属于自动化控制技术领域，具体涉及一种基于分立半导体的可配置电压输出装置、方法和控制器。

背景技术

在工业控制领域，模拟量输出装置作为现场控制站输出控制的关键模块，用于对生产现场及公用工程的执行机构进行驱动控制，其性能以及控制特性非常重要。现有模拟量输出装置分为两种：一是模拟量电流输出型，多为输出4mA～20mA电流信号，其主要用于电流输出型的被控器件；二是模拟量电压输出型，其主要应用在电压型输入的终端仪表。

现有的模拟量电压输出系统多依赖进口的集成芯片进行模拟量电压输出，输出通道控制电压成本较高、输出范围单一，不能够满足同一板卡对多类型输入的终端仪表进行控制的要求；且不便于进行改进。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本申请提供一种基于分立半导体的可配置电压输出装置、方法和控制器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种基于分立半导体的可配置电压输出装置，该装置包括：PWM信号生成模块、电压配置模块、选频模块、运算模块；

所述PWM信号生成模块与所述电压配置模块连接，用于生成PWM信号并输出至所述电压配置模块，所述PWM信号的频率和占空比基于所需输出电压的精度和范围确定；

所述电压配置模块与所述选频模块连接，用于接收所述PWM信号，通过改变所述PWM信号的占空比得到第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号输出至所述选频模块；其中，占空比根据所述运算模块输出电压范围确定；

所述选频模块与所述运算模块连接，用于接收所述第一脉冲信号，根据所述运算模块输出电压信号的动态响应对将所述第一脉冲信号进行频率选择得到第一振荡信号，将所述第一振荡信号输出至所述运算模块；

所述运算模块与外部设备连接，用于接收所述第一振荡信号，对所述第一振荡信号通过运算电路得到与外部设备匹配的输出电压。

可选地，所述运算模块包括：第一电阻、第二电阻、第一反馈电阻、第一运算放大器、基准电压源；

所述第一反馈电阻连接在所述第一运算放大器的反向输入端与输出端之间，所述基准电压源通过所述第一电阻与所述第一运算放大器的反向输入端连接，所述第一运算放大器的反向输入端通过所述第二电阻接地，所述第一运算放大器的同相输入端与选频模块的输出端连接。

可选地，所述运算模块的输入电压与输出电压的关系为：

其中，V_out为运算模块的输出电压，V_in为运算模块的输入电压，V_ref为基准电压，作为所述运算模块的另一个输入电压，R₁、R₂、R_f1分别为第一电阻、第二电阻和第一反馈电阻的电阻值。

可选地，该装置还包括用于对该装置的线路阻抗进行补偿的线路阻抗补偿模块，所述线路阻抗补偿模块包含差分比例运算电路、上拉电路、电压跟随电路；所述差分比例运算电路输入端与线路阻抗补偿端相连，所述差分比例运算电路的输出信号输出至上拉电路，所述上拉电路与所述电压跟随器连接，所述电压跟随器输出信号至所述PWM信号生成模块。

可选地，所述差分比例运算电路由第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二反馈电阻组成，第三电阻两端分别连接第二运算放大器反向端与信号输入端；第四电阻两端分别连接信号输入端与第二运算放大器同向端；第五电阻连接第二运算放大器同向端与地；第二反馈电阻两端分别连接第二运算放大器反向端与第二运算放大器信号输出端；其中，第三电阻与第四电阻阻值相同，第五电阻与第二反馈电阻阻值相同，第二反馈电阻与第三电阻的比例关系为10∶1。

可选地，所述PWM信号生成模块为高位数MCU，用于产生多路PWM信号。

可选地，所述选频模块为二阶RC选频电路或高阶RC选频电路。

可选地，所述基准电压通过稳压芯片产生。

第二方面，本申请提供一种可编程逻辑控制器,所述可编程逻辑控制器的模拟量电压输出模块采用如上任一项所述的基于分立半导体的可配置电压输出装置输出模拟量电压。

第三方面，本申请提供一种基于分立半导体的可配置电压输出方法，该方法包括：

通过PWM信号生成模块生成PWM信号并输出至电压配置模块,所述PWM信号的频率和占空比基于所需输出电压的精度和范围确定；

所述电压配置模块接收所述PWM信号，通过改变所述PWM信号的占空比得到第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号输出至选频模块；其中，占空比根据所述运算模块的输出电压范围确定；

所述选频模块接收所述第一脉冲信号，根据所述运算模块输出电压信号的动态响应对所述第一脉冲信号进行频率选择得到第一振荡信号，将所述第一振荡信号输出至运算模块；

所述运算模块接收所述第一振荡信号，对所述第一振荡信号通过运算电路得到与外部设备匹配的输出电压。

(三)有益效果

本申请的有益效果是：本申请提出了一种基于分立半导体的可配置电压输出装置。该装置包括：该装置包括：PWM信号生成模块、电压配置模块、选频模块、运算模块，PWM信号生成模块用于生成PWM信号，电压配置模块用于改变PWM信号的占空比，选频模块用于进行频率选择，运算模块用于通过运算电路得到满足外部设备要求的输出电压。

本申请能够完全采用国产分立半导体器件实现电压可配置电压输出电路技术方案，能够实现多种电压输出范围，具有低成本、可配置的优点，可满足多种电压输出需求；并且由于采用分立元件，与采用进口集成芯片相比更便于改进。

附图说明

本申请借助于以下附图进行描述：

图1为本申请实施例一中的基于分立半导体的可配置电压输出装置的结构示意图；

图2为本申请实施例一中提供的运算模块的结构示意图；

图3为本申请实施例二中提供的多通道的基于分立半导体的可配置电压输出装置的结构示意图；

图4为本申请实施例三中提供的对电压输出装置进行线路阻抗补偿的电路结构示意图；

图5为本申请实施例四中提供的基于分立半导体的可配置电压输出方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。可以理解的是，以下所描述的具体的实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

本申请针对现有的模拟量电压输出系统输出通道控制电压成本较高、输出范围单一，提出了一种基于分立半导体的可配置电压输出装置，可应用于分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)中或可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，PLC)。

实施例一

图1为本申请实施例一中的基于分立半导体的可配置电压输出装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：PWM信号生成模块1、电压配置模块2、选频模块3、运算模块4；

PWM信号生成模块1与电压配置模块2连接，用于生成PWM信号并输出至电压配置模块2；PWM信号的频率和占空比基于所需输出电压的精度和范围确定；

电压配置模块2与选频模块3连接，用于接收PWM信号，通过改变PWM信号的占空比得到第一脉冲信号，并将第一脉冲信号输出至选频模块3；其中，占空比根据运算模块的输出电压范围确定；

选频模块3与运算模块4连接，用于接收第一脉冲信号，根据所述运算模块输出电压信号的动态响应对第一脉冲信号进行频率选择得到第一振荡信号，将第一振荡信号输出至运算模块4；

运算模块4与外部设备连接，用于接收第一振荡信号，对第一振荡信号通过运算电路得到与外部设备匹配的输出电压。

本实施例能够完全采用国产分立半导体器件实现电压可配置电压输出电路技术方案，能够实现多种电压输出范围，具有低成本、可配置、高精度的优点。

本实施例中，PWM信号由高位数的MCU产生，具体地，高位数的MCU可以是士兰微生产的32位微控制器SC32F19128LM1G，用于产生频率为的4.8KHz，占空比范围为0％到90％的PWM信号。PWM信号的参数是根据所需电压精度及输出电压最大范围确定的。

本实施例中，电压配置模块2可采用模拟开关进行配置，改变PWM信号的占空比；从而在工业控制系统中即可实现通过组态软件对输出电压范围进行选择。

本实施例中，选频模块3为二阶RC选频电路或高阶RC选频电路,可根据输出动态响应对其进行设计。

图2为本申请实施例一中提供的运算模块的结构示意图，如图2所示，运算模块3包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一反馈电阻Rf1、第一运算放大器、基准电压源；

第一反馈电阻Rf1连接在第一运算放大器的反向输入端与输出端之间，基准电压源通过第一电阻R1与第一运算放大器的反向输入端连接，第一运算放大器的反向输入端通过第二电阻R2接地，第一运算放大器的同相输入端与选频模块的输出端连接。其中，基准电压源可以采用稳压芯片。

运算模块的输入电压与输出电压的关系为：

其中，V_out为运算模块的输出电压，V_in为运算模块的输入电压，V_ref为基准电压，作为运算模块的另一个输入电压，R₁、R₂、R_f1分别为第一电阻、第二电阻和第一反馈电阻的电阻值。

根据运算放大电路噪声理论分析，当运放电压噪声谱密度与电流噪声谱密度确定后，相同温度下电阻热噪声近似为定值，该部分所产生噪声仅由电路噪声增益所决定，因此该结构在实现相同的电压输出范围尽可能地降低了其噪声增益。

通道输出运算电路电阻配比根据输出余量要求，该运算关系由于采用低噪声增益运算电路对其进行运算，其输出噪声优于直接采用减法比例运算。

实施例二

图3为本申请实施例二中提供的多通道的基于分立半导体的可配置电压输出装置的结构示意图，如图3所示，本申请通过实施例二提供了一种多通道的基于分立半导体的可配置电压输出装置，由于单类型的电压输出类型不能满足多行业应用，本实施例针对不同的终端控制需求采用电压配置模块对输出电压范围进行调节。其中，通道电压的控制信号由PWM信号进行控制，通过电压配置模块调节PWM信号的占空比，从而实现对多电压范围的被控制终端进行控制。具体地，MCU采用士兰微生产的32位微控制器SC32F19128LM1G，可输出电压范围0V～5V、0V～10V、-10V～+10V等，最多可同时输出8路。为了实现阻抗匹配，后级采用一级输入为高阻抗输出为低阻抗的电压跟随器，进而使输出电压精确。

本实施例技术方案均可采用独立半导体器件进行设计，不需要依赖进口集成芯片，能够低成本的实现，多通道输出电压可配置，低噪声高精度的模拟量电压输出，使终端仪表获取更高准确度的控制电压。

实施例三

本实施例提供一种带有线路阻抗补偿的基于分立半导体的可配置电压输出装置。下面将结合图4对本实施例中涉及的线路阻抗补偿进行详细说明。

图4为本申请实施例三中提供的对电压输出装置进行线路阻抗补偿的电路结构示意图；如图4所示，该部分由差分比例运算电路、上拉电路、电压跟随电路组成。差分比例运算电路由第二运算放大器、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二反馈电阻Rf2组成，输入端u1与输入端u2与线路阻抗补偿端相连，第三电阻R3两端分别连接第二运算放大器反向端与信号输入端u1；第四电阻R4两端分别连接信号输入端u2与第二运算放大器同向端；第五电阻R5连接第二运算放大器同向端与地；第二反馈电阻Rf2两端分别连接第二运算放大器反向端与第二运算放大器信号输出端uo。其中，第三电阻R3与第四电阻R4阻值相同，第五电阻R5与第二反馈电阻Rf2阻值相同，第二反馈电阻Rf2与第三电阻R3的比例关系为10：1。

该差分比例运算电路输出电压与输入电压关系为：

其中，R₃、R_f2分别表示第三电阻和第二反馈电阻的电阻值，u_o表示差分比例运算电路输出端uo的输出电压，u₁、u₂分别表示输入端u1与输入端u2的输入电压。

差分比例运算电路输出端连接上拉电路，将差分比例运算电路进行抬高，使其输出电压均为正电压，为了实现阻抗匹配，将输出送给由第三运算放大器构成的电压跟随器，再将其送到MCU的模拟信号转数字信号的专用端口进行信号采集。

考虑到输出通道与终端仪表传输线路过长，线路阻抗损耗，导致终端仪表得到控制电压不准确，为了使负载端能够得到精确地得到模拟量电压输出通道的的控制电压，该部分采用差分运算对负载端所获取的控制电压进行一定比例缩放，由于输出通道考虑输出最大范围为-10V～+10V，考虑到负压，对该部分输出进行上拉电路，再对其采集到的电压传输到MCU进行处理，使其形成闭环，回采电路为高输入阻抗，保障了采集电压精度。

差分运算电路可由运算放大器进行搭建实现，由于电压采集最大范围为-10V～+10V，采用减法比例运算电路对其采集信号进行缩小10倍，进行上拉后在将其采样值传输到MCU进行处理。

上拉电路可以采用参考源通过精密电阻进行分压，进而对所检测到的负电压进行上拉，传输到MCU进行处理。

本实施例采用分立半导体实现多通道的可配置电压范围输出，同时能够实现对线路阻抗进行电压补偿，使输出具有低成本、高精度及高稳定度输出特点。

本申请第二方面提供一种可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器的模拟量电压输出模块采用如上任一实施例所述的基于分立半导体的可配置电压输出装置输出模拟量电压。

实施例四

本申请第三方面提供一种基于分立半导体的可配置电压输出方法，图5为本申请实施例四中提供的基于分立半导体的可配置电压输出方法的流程示意图，如图5所示，该方法包括：

S10、通过PWM信号生成模块生成PWM信号并输出至电压配置模块，所述PWM信号的频率和占空比基于所需输出电压的精度和范围确定；

S20、电压配置模块接收PWM信号，通过改变PWM信号的占空比得到第一脉冲信号，并将第一脉冲信号输出至选频模块；其中，占空比根据述运算模块的输出电压范围确定；

S30、选频模块接收所述第一脉冲信号，根据运算模块输出电压信号的动态响应对第一脉冲信号进行频率选择得到第一振荡信号，将第一振荡信号输出至运算模块；

S40、运算模块接收第一振荡信号，对第一振荡信号通过运算电路得到与外部设备匹配的输出电压。

本实施例的方法中涉及的模块及技术效果可参阅上述实施例中的描述，此处不再展开说明。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于分立半导体的可配置电压输出装置，其特征在于，该装置包括：PWM信号生成模块、电压配置模块、选频模块、运算模块；

所述PWM信号生成模块与所述电压配置模块连接，用于生成PWM信号并输出至所述电压配置模块，所述PWM信号的频率和占空比基于所需输出电压的精度和范围确定；

所述电压配置模块与所述选频模块连接，用于接收所述PWM信号，通过改变所述PWM信号的占空比得到第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号输出至所述选频模块；其中，占空比根据所述运算模块输出电压范围确定；

所述选频模块与所述运算模块连接，用于接收所述第一脉冲信号，根据所述运算模块输出电压信号的动态响应对将所述第一脉冲信号进行频率选择得到第一振荡信号，将所述第一振荡信号输出至所述运算模块；

所述运算模块与外部设备连接，用于接收所述第一振荡信号，对所述第一振荡信号通过运算电路得到与外部设备匹配的输出电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运算模块包括：第一电阻、第二电阻、第一反馈电阻、第一运算放大器、基准电压源；

所述第一反馈电阻连接在所述第一运算放大器的反向输入端与输出端之间，所述基准电压源通过所述第一电阻与所述第一运算放大器的反向输入端连接，所述第一运算放大器的反向输入端通过所述第二电阻接地，所述第一运算放大器的同相输入端与选频模块的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述运算模块的输入电压与输出电压的关系为：

其中，V_out为运算模块的输出电压，V_in为运算模块的输入电压，V_ref为基准电压，作为所述运算模块的另一个输入电压，R₁、R₂、R_f1分别为第一电阻、第二电阻和第一反馈电阻的电阻值。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置还包括用于对该装置的线路阻抗进行补偿的线路阻抗补偿模块，所述线路阻抗补偿模块包含差分比例运算电路、上拉电路、电压跟随电路；所述差分比例运算电路输入端与线路阻抗补偿端相连，所述差分比例运算电路的输出信号输出至上拉电路，所述上拉电路与所述电压跟随器连接，所述电压跟随器输出信号至所述PWM信号生成模块。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述差分比例运算电路由第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二反馈电阻组成，第三电阻两端分别连接第二运算放大器反向端与信号输入端；第四电阻两端分别连接信号输入端与第二运算放大器同向端；第五电阻连接第二运算放大器同向端与地；第二反馈电阻两端分别连接第二运算放大器反向端与第二运算放大器信号输出端；其中，第三电阻与第四电阻阻值相同，第五电阻与第二反馈电阻阻值相同，第二反馈电阻与第三电阻的比例关系为10∶1。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述PWM信号生成模块为高位数MCU，用于产生多路PWM信号。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述选频模块为二阶RC选频电路或高阶RC选频电路。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基准电压通过稳压芯片产生。

9.一种可编程逻辑控制器,其特征在于，所述可编程逻辑控制器的模拟量电压输出模块采用如上权利要求1至8任一项所述的基于分立半导体的可配置电压输出装置输出模拟量电压。

10.一种基于分立半导体的可配置电压输出方法，其特征在于，该方法包括：

通过PWM信号生成模块生成PWM信号并输出至电压配置模块,所述PWM信号的频率和占空比基于所需输出电压的精度和范围确定；

所述电压配置模块接收所述PWM信号，通过改变所述PWM信号的占空比得到第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号输出至选频模块；其中，占空比根据所述运算模块的输出电压范围确定；

所述选频模块接收所述第一脉冲信号，根据所述运算模块输出电压信号的动态响应对所述第一脉冲信号进行频率选择得到第一振荡信号，将所述第一振荡信号输出至运算模块；

所述运算模块接收所述第一振荡信号，对所述第一振荡信号通过运算电路得到与外部设备匹配的输出电压。

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