CN113110242A - 一种高效率模拟量信号输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率模拟量信号输出装置，本发明的输出装置包括控制电路、升降压电路和模拟量输出电路；其中，所述升降压电路用于为模拟量输出电路供电；所述控制电路根据模拟量输出电路的输出信号大小，调节升降压电路的输出电压，从而实现模拟量输出功率动态调节。本发明利用升降压电路调节模拟量输出电路(电流模拟量输出电路或电压模拟量输出电路)的供电电压，实现动态功率控制，从而降低热损耗，提高电路效率。

Description

一种高效率模拟量信号输出装置
技术领域
本发明属于核电厂数字化仪控领域，具体涉及一种高效率模拟量信号输出装置。
背景技术
核电站数字化仪表控制(I&C)系统中依然大量使用传统的电流信号作为信号传输。核电厂现场的执行机构控制信号主要为4～20mA电流以及0-5V/10V电压信号，执行机构的正确和准确动作直接影响核电厂的安全运行，因此模拟量控制信号的可靠性至关重要。
传统的模拟量信号输出装置(如温度变送器、压力变送器等)都是在固定供电电压下输出电流或电压控制信号。如4-20mA电流信号，由于输出负载不确定，要保证最大电流输出就必须要使用较高的供电电压，如此便带来效率问题。当外部负载为最大负载时效率最高，当外部负载很小时，效率则非常低，如供电电压24V，输出电流20mA，外部阻抗100Ω，输出功率0.48W，但负载只消耗0.04W，发热功率0.44W，效率只有8.3％，电路可靠性因发热而降低，设备寿命也会缩减，尤其在多路电流信号输出的设计中，此问题带来很大风险。同样，电压信号输出也有此问题，当需要的输出的电压信号较低时，较高的电压降都消耗在输出电路上。
发明内容
为了解决现有固定供电模式存在热损耗，导致效率低等问题，本发明提供了一种高效率模拟量信号输出装置。本发明能够提高模拟量信号输出的效率，减少热损耗，提高核电站数字化仪表控制(I&C)系统的可靠性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高效率模拟量信号输出装置，该输出装置包括控制电路、升降压电路和模拟量输出电路；
其中，所述升降压电路用于为模拟量输出电路供电；
所述控制电路根据模拟量输出电路的输出信号大小，调节升降压电路的输出电压，从而实现模拟量输出功率动态调节。
本发明利用升降压电路调节模拟量输出电路(电流模拟量输出电路或电压模拟量输出电路)的供电电压，实现动态功率控制，从而降低热损耗，提高电路效率。
优选的，本发明的升降压电路为四开关管Buck-Boost结构，实现升压和降压功能；
当输入电压较所需输出电压高时，电路为Buck模式；
当输入电压较所需输出电压低时，电路为Boost模式；
当输入电压与所需输出电压一样时，升降压电路在Buck模式和Boost模式之间交替工作；
所述升降压电路工作模式和输出电压由所述控制电路控制。
优选的，本发明的控制电路由ADC1、ADC2、DAC和MCU构成；
所述ADC1用于采集模拟量输出电路供电电压；
所述ADC2用于采集模拟量输出电路输出信号；
所述DAC用于控制模拟量信号输出值；
所述MCU输出控制信号用于实现对升降压电路输出电压的控制。
优选的，本发明的模拟量输出电路包括电流输出电路和电压输出电路；
所述电流输出电路由所述控制电路和所述升降压电路控制实现电流输出的动态功率调节；
或所述电压输出电路由所述控制电路和所述升降压电路控制实现电压输出的动态功率调节。
优选的，本发明的电流输出电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、电阻R1、三极管Q1和精密电阻Rs；
其中，所述运算放大器U2的同相输入端通过滤波电路与所述控制电路的DAC输出端口连接；所述运算放大器U2的反向输入端与所述控制电路的ADC2输入端口以及所述运算放大器U1的输出端连接，所述运算放大器U2的输出端通过电阻R1与所述三极管Q1的基极连接；
所述三极管Q1的发射极与所述升降压电路的输出电压端连接；
所述三极管Q1的集电极与精密电阻Rs的一端以及所述运算放大器U1的同相输入端连接，所述精密电阻Rs的另一端与所述运算放大器U1的反相输入端以及外部电流输出端连接。
优选的，本发明的控制电路在实现电流输出的动态功率调节时：
所述控制电路通过ADC2采集精密电阻Rs上的电压得到所输出的电流值大小，通过DAC转换以及滤波后输出控制所述三极管Q1导通阻抗，来控制电流的输出；
所述控制电路通过ADC2采集升降压电路的输出电压VB，通过MCU输出控制信号控制升降压电路的输出电压VB，再根据调节电流变化的趋势及稳定值，判定输出电路的阻抗，实现电流输出的动态功率调节。
优选的，本发明的电压输出电路包括电压缩放电路、运算放大器U3、电阻R2和电阻R3；
所述运算放大器U3的同相输入端和反相输入端与所述电压缩放电路的输出端连接，所述电压缩放电路的输入端通过滤波电路与所述控制电路的DAC输出端口连接；
所述运算放大器U3的正相输入端还与电阻R2的一端连接，所述运算放大器的反相输入端还与电阻R3的一端连接，所述电阻R2的另一端和所述电阻R3的另一端与外部电压补偿端连接；
所述运算放大器的输出端与外部电压输出端连接。
优选的，本发明的控制电路在实现电压输出的动态功率调节时：
所述控制电路通过DAC转换以及滤波之后输出控制信号控制电压的输出；
所述控制电路根据需要输出的电压变化趋势，控制升降压电路调节其输出电压VB，实现电压输出的动态功率调节。
优选的，本发明还包括辅助电源电路；
所述辅助电源电路为所述控制电路和外设供电，能够适应宽范围电压输入。
优选的，本发明的辅助电源电路为降压电路。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明可实现电流或电压模拟量信号高效率输出，实现装置的低热损耗和可靠性，同时实现宽输入电压范围正常工作。
2、本发明包括电流和电压两种模拟量输出，控制电路根据输出信号大小及负载情况，通过调节模拟量输出电路供电电压，实现动态功率调节，达到高效模拟量输出，减小电路发热，提高系统的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的装置结构原理图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
相较于现有的固定供电控制技术，存在热损耗，电路效率低，从而降低电路的可靠性的问题，本实施例提出了一种高效率模拟量信号输出装置。本实施例的装置利用升降压电路调节模拟量输出电路(本实施例的模拟量输出电路包括电流模拟量输出电路和电压模拟量输出电路)的供电电压，实现动态功率控制，从而提高电路效率。
如图1所示，本实施例的装置包括辅助电源电路、升降压电路、控制电路、电流输出电路和电压输出电路。
(1)辅助电源电路
辅助电源电路为降压电路，主要为控制电路和外设供电，能适应宽范围电压输入。
(2)升降压电路
升降压电路目的是在宽范围输入电压条件下为模拟量输出电路供电，电路为四开关管Buck-Boost结构，实现升压和降压功能。当输入电压较所需输出电压高时，电路为Buck模式，当输入电压较所需输出电压低时，电路为Boost模块，当输入电压与所需输出电压一样时，电路在Buck和Boost模式之间交替工作。升降压电路工作模块和输出电压由控制电路CV控制。
(3)电流输出电路
电流输出电路为恒流输出电路，由控制电路通过ADC1采集精密电阻Rs电压，控制DAC输出调节Q1阻抗实现。
具体如图1所示，本实施例的电流输出电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、电阻R1、三极管Q1和精密电阻Rs；
其中，运算放大器U2的同相输入端通过滤波电路与控制电路的DAC输出端口连接；运算放大器U2的反向输入端与控制电路的ADC2输入端口以及运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U2的输出端通过电阻R1与三极管Q1的基极连接；
三极管Q1的发射极与升降压电路的输出电压端连接；
三极管Q1的集电极与精密电阻Rs的一端以及运算放大器U1的同相输入端连接，精密电阻Rs的另一端与运算放大器U1的反相输入端以及外部电流输出端连接。
(4)电压输出电路
电压输出电路为恒压输出电路，由控制电路控制DAC输出和电压缩放比例电路调整实现。
具体如图1所示，本实施例的电压输出电路电压缩放电路、运算放大器U3、电阻R2和电阻R3；
运算放大器U3的同相输入端和反相输入端与电压缩放电路的输出端连接，电压缩放电路的输入端通过滤波电路与控制电路的DAC输出端口连接；
运算放大器U3的正相输入端还与电阻R2的一端连接，运算放大器的反相输入端还与电阻R3的一端连接，电阻R2的另一端和电阻R3的另一端与外部电压补偿端连接；
运算放大器的输出端与外部电压输出端连接。
(5)控制电路
控制电路由ADC、DAC以及MCU组成，主要功能是调节升降压电路输出电压，控制电流输出和电压输出。通过ADC1采集模拟量输出电路供电电压(即升降压电路输出电压)，通过ADC2采集电流输出电路输出电流值，通过CV实现对升降压电路输出电压VB的控制，通过DAC控制电流或电压模拟量信号输出值(电流/电压信号不可同时使用)。
具体实现过程为：当需要输出电流信号时，外部连接Io+和Io-引脚。控制电路通过ADC2采集精密电阻Rs上的电压判断所输出的电流值大小，通过DAC滤波后控制Q1导通阻抗，来控制电流，实现恒流输出。通过ADC1采集模拟量供电电压VB，以控制升降压电路调节VB，再根据调节电流变化的趋势及稳定值，判定出输出电路的阻抗，实现电流输出的动态功率调节，保证电流信号最高效的输出。
当需要输出电压信号时，外部连接Vo+和Vo-，需要远端补偿时，则必须连接+Vsence和-Vsence，控制电路通过DAC滤波后控制电压输出。控制电路会根据需要输出的电压变化趋势，在高效的情况下尽量快速的控制升降压电路调节VB，保证电压信号最高效的输出。
本实施例的装置包括电流和电压两种模拟量输出，通过控制电路根据输出信号大小及负载情况，通过控制升降压电路调节模拟量输出电路供电电压，实现动态功率调节，达到高效模拟量输出，减小电路发热，提高可靠性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，该输出装置包括控制电路、升降压电路和模拟量输出电路；
其中，所述升降压电路用于为模拟量输出电路供电；
所述控制电路根据模拟量输出电路的输出信号大小，调节升降压电路的输出电压，从而实现模拟量输出功率动态调节。
2.根据权利要求1所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述升降压电路为四开关管Buck-Boost结构，实现升压和降压功能；
当输入电压较所需输出电压高时，电路为Buck模式；
当输入电压较所需输出电压低时，电路为Boost模式；
当输入电压与所需输出电压一样时，升降压电路在Buck模式和Boost模式之间交替工作；
所述升降压电路工作模式和输出电压由所述控制电路控制。
3.根据权利要求1所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述控制电路由ADC1、ADC2、DAC和MCU构成；
所述ADC1用于采集模拟量输出电路供电电压；
所述ADC2用于采集模拟量输出电路输出信号；
所述DAC用于控制模拟量信号输出值；
所述MCU输出控制信号用于实现对升降压电路输出电压的控制。
4.根据权利要求1所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述模拟量输出电路包括电流输出电路和电压输出电路；
所述电流输出电路由所述控制电路和所述升降压电路控制实现电流输出的动态功率调节；
或所述电压输出电路由所述控制电路和所述升降压电路控制实现电压输出的动态功率调节。
5.根据权利要求4所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述电流输出电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、电阻R1、三极管Q1和精密电阻Rs；
其中，所述运算放大器U2的同相输入端通过滤波电路与所述控制电路的DAC输出端口连接；所述运算放大器U2的反向输入端与所述控制电路的ADC2输入端口以及所述运算放大器U1的输出端连接，所述运算放大器U2的输出端通过电阻R1与所述三极管Q1的基极连接；
所述三极管Q1的发射极与所述升降压电路的输出电压端连接；
所述三极管Q1的集电极与精密电阻Rs的一端以及所述运算放大器U1的同相输入端连接，所述精密电阻Rs的另一端与所述运算放大器U1的反相输入端以及外部电流输出端连接。
6.根据权利要求5所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述控制电路在实现电流输出的动态功率调节时：
所述控制电路通过ADC2采集精密电阻Rs上的电压得到所输出的电流值大小，通过DAC转换以及滤波后输出控制所述三极管Q1导通阻抗，来控制电流的输出；
所述控制电路通过ADC2采集升降压电路的输出电压VB，通过MCU输出控制信号控制升降压电路的输出电压VB，再根据调节电流变化的趋势及稳定值，判定输出电路的阻抗，实现电流输出的动态功率调节。
7.根据权利要求5所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述电压输出电路包括电压缩放电路、运算放大器U3、电阻R2和电阻R3；
所述运算放大器U3的同相输入端和反相输入端与所述电压缩放电路的输出端连接，所述电压缩放电路的输入端通过滤波电路与所述控制电路的DAC输出端口连接；
所述运算放大器U3的正相输入端还与电阻R2的一端连接，所述运算放大器的反相输入端还与电阻R3的一端连接，所述电阻R2的另一端和所述电阻R3的另一端与外部电压补偿端连接；
所述运算放大器的输出端与外部电压输出端连接。
8.根据权利要求7所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述控制电路在实现电压输出的动态功率调节时：
所述控制电路通过DAC转换以及滤波之后输出控制信号控制电压的输出；
所述控制电路根据需要输出的电压变化趋势，控制升降压电路调节其输出电压VB，实现电压输出的动态功率调节。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，还包括辅助电源电路；
所述辅助电源电路为所述控制电路和外设供电，能够适应宽范围电压输入。
10.根据权利要求9所述的一种高效率模拟量信号输出装置，其特征在于，所述辅助电源电路为降压电路。
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