CN113447049A - 一种交流信号变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流信号变送器，包括主电路，主电路包括交流信号采样电路和交流信号转换电路，交流信号转换电路包括四路运算放大器U1、若干电阻、若干电容、若干二极管、若干三极管、若干电位器、稳压源T4和稳流器U2，交流信号转换电路分为整流单元、放大单元、基准单元和V/I转换单元。本发明交流信号变送器，避免了AD转换器、单片机处理器、DA转换器等芯片的使用，且四路运算放大器U1中的所有运放均采用单电源（DC15V）供电，所需的电源组数少，其生产成本及使用成本均较低；同时，本发明交流信号变送器，具有抗干扰能力强、精度等级高等优点，且因是纯硬件电路，电路简单，不仅无需编程，使用门槛低，使用方便。

Description

一种交流信号变送器

技术领域

本发明涉及工业自动化仪器仪表领域，尤其涉及一种交流信号变送器。

背景技术

交流信号变送器作为工业生产中常见的自动化仪器之一，其可采集工业现场被测主回路上的交流电压或交流电流信号，并将采集到的交流电压或交流电流信号转换成按线性比例输出的DC 0~20mA或DC 4~20mA恒流环标准信号，连续输送到其它控制系统（如计算机或显示仪表）进行监视与控制。交流电压或交流电流变送器广泛应用于电力、邮电、石油、煤炭、冶金、铁道、市政等部门的电气装置、自动控制以及调度系统。

现阶段的交流电压或交流电流变送器，对采集信号的转换原理是，将采集信号进行整流，运放输出给AD转换器后，由单片机处理器进行换算，最终经过DA转换电路输出直流mA信号。该类产品的特点是除了可以完成交流电信号的采集与显示输出外，还可以通过按键修改量程进行量干转换，设置报警、通讯等功能；但是由于产品采用了AD转换器、单片机处理器、DA转换器等芯片，使得产品整体成本没有优势，同时，在交流场合，采用较多芯片进行信号采集显示转换时，对电路抗干扰能力的要求也更高，而高要求的抗干扰能力进一步使得产品的成本更难以把控。

发明内容

本发明的目的在于提供涉及一种交流信号变送器。

实现本发明目的的技术方案是：一种交流信号变送器，包括主电路，主电路包括交流信号采样电路和交流信号转换电路，交流信号转换电路包括四路运算放大器U1、若干电阻、若干电容、若干二极管、若干三极管、若干电位器、稳压源T4和稳流器U2，交流信号转换电路分为整流单元、放大单元、基准单元和V/I转换单元；

整流单元中，整流单元的输入端与交流信号采样电路的输出端连接，整流单元的输入端负极接地，整流单元的输入端正极和负极间串联有限压电路，整流单元的输入端正极与四路运算放大器U1中第一运算路放大器U1-1的反相输入端间还串联有电阻R13，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的同相输入端接地，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的反相输入端与输出端间串联电阻R16和二极管D10，其中，二极管D10的正极与第一路运算放大器U1-1的输出端连接，二极管D10的负极与地间还串联有电阻R17和电容C1，其中，电阻R17和电容C1的连接端作为整流单元的输出端；

放大单元中，四路运算放大器U1中第二路运算放大器U1-2的同相输入端与整流单元的输出端间串联电位器VR1，第二路运算放大器U1-2的同相输入端与地间还串联电阻R8，第二路运算放大器U1-2的输出端与NPN三极管T2的基极连接，NPN三极管T2的发射极与地间串联电阻R11，NPN三极管T2的发射极还与第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接；

基准单元中，电源端VCC与地间串联有稳流器U2和稳压源T4，其中，稳压源T4阳极与地连接，稳流器U2的两端还并联有电阻R19，稳压源T4的阴极与四路运算放大器U1中第三路运算放大器U1-3的同相输入端间串联电阻R2，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与地间串联有电位器VR2，第三路运算放大器U1-3的输出端与NPN三极管T3的基极连接，NPN三极管T3的发射极与地间串联电阻R6，NPN三极管T3的发射极还与第二路运算放大器U1-3的反相输入端连接；当所述交流信号变送器的输出要求为0~20mA的恒流环标准信号，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与放大单元中第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接；当所述交流信号变送器的输出要求为4~20mA的恒流环标准信号，NPN三极管T3的集电极与放大单元中NPN三极管T2的集电极连接；

V/I转换单元中，电源端VCC与放大单元中NPN三极管T2的集电极间串联降压电路和电阻R14，其中，电阻R14与NPN三极管T2的集电极连接，NPN三极管T2的集电极还与四路运算放大器U1中第四路运算放大器U1-4的同相输入端连接，第四路运算放大器U1-4的输出端与PNP三极管T1的基极连接，PNP三极管T1的发射极与降压电路的输出端间串联有采样电阻R12，PNP三极管T1的发射极还与第四路运算放大器U1-4的反相输入端连接，PNP三极管T1的集电极连接所述交流信号变送器的输出端Iout。

进一步地，限压电路包括并联于整流单元输入端正极和负极间的两支路，每条支路上包括四个连接方向相同的二极管，两条支路上的二极管的连接方向相反。由于整流单元输入端输入的交流信号，并联于整流单元输入端正极和负极间、限压电路的两支路，实现双向降压，避免整流单元输入端正极和负极间短路，同时，将采样电压限制在预置的范围内。

进一步地，整流单元中，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的同相输入端和反相输入端间串联有二极管D9，其中，二极管D9的正极与第一路运算放大器U1-1的同相输入端的连接。二极管D9的设置，用以限制第一路运算放大器U1-1的输入电压，防止输入电压过大，对电路起保护作用。

进一步地，整流单元的输出端与电位器VR1间串联有电阻R10。电阻R10可保障线路上的最低阻值，使电位器VR1可选择范围更合适、调节精度更高的电位器。

进一步地，基准单元中，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与地间串联有电阻R5和电位器VR2，电位器VR2的两端并联电阻R1。电阻R5和电阻R1的作用，同电阻R10的作用相同，均是保障线路上的最低阻值，使电位器VR2可选择范围更合适、调节精度更高的电位器。

进一步地，V/I转换单元中，降压电路包括三个相串联的二极管，降压电路中三个串联的二极管连接方向相同、且正极靠近电源端VCC端侧。降压电路中三个串联的二极管起降压作用，将输入电压控制在预置的范围内，如电源端VCC提供的电压为15V，经过降压电路的降压后，电压为12V。

进一步地，V/I转换单元中，NPN三极管T3的集电极与第四路运算放大器U1-4的同相输入端间串联有电阻R15，第四路运算放大器U1-4的同相输入端与地间串联电容C2。其中，电阻R15和电容C2构成低通滤波电路，该低通滤波电路的设置，可使电路电压更加精确稳定。

进一步地，V/I转换单元中，PNP三极管T1的集电极与所述交流信号变送器的输出端Iout间串联有二极管D15，二极管D15的正极与PNP三极管T1的集电极连接。二极管D15可保证输出的单向性，避免后端电路对所述交流信号变送器的影响。

进一步地，V/I转换单元中，所述交流信号变送器的输出端Iout与地间并联有电阻R3和电容C3。电阻R3和电容C3构成电容滤波电路，电容滤波电路的设置使所述交流信号变送器的输出端Iout输出电流更为稳定、可靠。

进一步地，V/I转换单元中，所述交流信号变送器的输出端Iout与地间并联有瞬态二极管TVS1。瞬态二极管TVS1的设置，可保护所述交流信号变送器的输出端Iout输出电压电流过大时，不会损坏后端电路。

进一步地，所述交流信号变送器用于采集变送交流电流信号，交流信号采样电路通常包括电流互感器CT1和采样电阻R9，采样电阻R9并联于电流互感器CT1的两端，电流互感器CT1的两端为交流信号采样电路的输出端。其中，电流互感器CT1用于进行电磁感应，将待等采集变送的电流信号感应到电流互感器CT1次级上，感应到电流互感器CT1次级上的电流作用于采样电阻R9上，得到交流采样电压。

进一步地，所述交流信号变送器用于采集变送交流电压信号，交流信号采样电路包括电压互感器PT1，电压互感器的PT1初级线圈串联有输入电阻，电压互感器PT1次级线圈两端并联有采样电阻R30。采样时，输入的交流电压加到电压互感器PT1的初级线圈侧后，在电压互感器PT1的作用下，电压互感器PT1次级线圈可得到加载在采样电阻R30两端的一定比例的交流采样电压。

进一步地，电压互感器的PT1初级线圈串联的输入电阻由数个电阻串联构成。如由十个电阻（电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29）构成，相比采用一颗阻值与数个串联电阻阻值相一致的电阻，输入电阻采用多个电阻串联的方式，可减小体积和发热。

本发明交流信号变送器，通过将四路运算放大器U1灵活应用到交流信号转换电路的整流单元、放大单元、基准单元和V/I转换单元中，整流单元、放大单元、基准单元和V/I转换单元相互作用，实现将交流信号采样电路实时感应到的交流信号（如交流电流信号或交流电压信号）转换成符合要求的0~20mA或4~20mA的恒流环标准信号变送输出。本发明交流信号变送器，避免了AD转换器、单片机处理器、DA转换器等芯片的使用，且四路运算放大器U1中的所有运放均采用单电源（DC15V）供电，所需的电源组数少，其生产成本及使用成本均较低；同时，本发明交流信号变送器电路简单，其因是纯硬件电路，不仅无需编程，使用门槛低，使用方便，且电路中四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1、电阻R13、电阻R16和二极管D10构成精密整流电路、各滤波电路、降压等保护性的功能电路（如限压电路、降压电路）的应用，使得电路具有抗干扰能力强、精度等级高等优点。

附图说明

图1是本发明交流信号变送器的功能结构示意图；

图2是本发明交流信号变送器的电路图；

图3是图2的等效电路图；

图4是本发明交流信号变送器用于采集变送交流电流信号时交流信号采样电路的电路图；

图5是本发明交流信号变送器用于采集变送交流电压信号时交流信号采样电路的电路图；

图6是本发明交流信号变送器中电源转换电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明交流信号变送器的较佳实施方式作详细的说明：

如图1至图3所示，一种交流信号变送器，包括主电路10，主电路10包括交流信号采样电路1和交流信号转换电路2，交流信号转换电路2包括四路运算放大器U1、若干电阻、若干电容、若干二极管、若干三极管、若干电位器、稳压源T4和稳流器U2，交流信号转换电路2分为整流单元21、放大单元22、基准单元23和V/I转换单元24；

整流单元21中，整流单元21的输入端与交流信号采样电路1的输出端连接，整流单元21的输入端负极接地，整流单元21的输入端正极和负极间串联有限压电路211，整流单元21的输入端正极与四路运算放大器U1中第一运算路放大器U1-1的反相输入端间还串联有电阻R13，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的同相输入端接地，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的反相输入端与输出端间串联电阻R16和二极管D10，其中，二极管D10的正极与第一路运算放大器U1-1的输出端连接，二极管D10的负极与地间还串联有电阻R17和电容C1，其中，电阻R17和电容C1的连接端作为整流单元21的输出端；

放大单元22中，四路运算放大器U1中第二路运算放大器U1-2的同相输入端与整流单元21的输出端间串联电位器VR1，第二路运算放大器U1-2的同相输入端与地间还串联电阻R8，第二路运算放大器U1-2的输出端与NPN三极管T2的基极连接，NPN三极管T2的发射极与地间串联电阻R11，NPN三极管T2的发射极还与第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接；

基准单元23中，电源端VCC与地间串联有稳流器U2和稳压源T4，其中，稳压源T4阳极与地连接，稳流器U2的两端还并联有电阻R19，稳压源T4的阴极与四路运算放大器U1中第三路运算放大器U1-3的同相输入端间串联电阻R2，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与地间串联有电位器VR2，第三路运算放大器U1-3的输出端与NPN三极管T3的基极连接，NPN三极管T3的发射极与地间串联电阻R6，NPN三极管T3的发射极还与第二路运算放大器U1-3的反相输入端连接；当所述交流信号变送器的输出要求为0~20mA的恒流环标准信号，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与放大单元22中第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接；当所述交流信号变送器的输出要求为4~20mA的恒流环标准信号，NPN三极管T3的集电极与放大单元22中NPN三极管T2的集电极连接；

V/I转换单元24中，电源端VCC与放大单元22中NPN三极管T2的集电极间串联降压电路241和电阻R14，其中，电阻R14与NPN三极管T2的集电极连接，NPN三极管T2的集电极还与四路运算放大器U1中第四路运算放大器U1-4的同相输入端连接，第四路运算放大器U1-4的输出端与PNP三极管T1的基极连接，PNP三极管T1的发射极与降压电路241的输出端间串联有采样电阻R12，PNP三极管T1的发射极还与第四路运算放大器U1-4的反相输入端连接，PNP三极管T1的集电极连接所述交流信号变送器的输出端Iout。

本发明交流信号变送器，交流信号采样电路1用于实时感应待采集的交流信号（如交流电流信号或交流电压信号），并将感应到的交流信号传送给交流信号转换电路2。

本发明交流信号变送器，用于采集变送交流电流信号时，如图4所示，交流信号采样电路1通常包括电流互感器CT1和采样电阻R9，采样电阻R9并联于电流互感器CT1的两端，电流互感器CT1的两端为交流信号采样电路1的输出端。其中，电流互感器CT1用于进行电磁感应，将待等采集变送的电流信号感应到电流互感器CT1次级上，感应到电流互感器CT1次级上的电流作用于采样电阻R9上，得到交流采样电压。

本发明交流信号变送器，用于采集变送交流电压信号时，如图5所示，交流信号采样电路1通常包括电压互感器PT1，电压互感器的PT1初级线圈串联有输入电阻，电压互感器PT1次级线圈两端并联有采样电阻R30。采样时，输入的交流电压加到电压互感器PT1的初级线圈侧后，在电压互感器PT1的作用下，电压互感器PT1次级线圈可得到加载在采样电阻R30两端的一定比例的交流采样电压。

本发明交流信号变送器，用于采集变送交流电压信号时，电压互感器的PT1初级线圈串联的输入电阻由数个电阻串联构成。如图5所示，电压互感器的PT1初级线圈串联的输入电阻由十个电阻（电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29）构成，相比输入电阻由一颗阻值与数个串联电阻阻值相一致的电阻构成，输入电阻采用多个电阻串联的方式，可减小体积和发热。

本发明交流信号变送器，不管是用于采集变送交流电流信号，还是用于采集变送交流电压信号，电缆上的交流电流信号、交流电压信号均是可测、已知的，而通过对电流互感器CT1次级上感应的电流由电流互感器CT1的系数（倍率）、采样电阻R9进行选择，或是对电压互感器的PT1的系数（倍率）、电压互感器的PT1初级线圈串联的输入电阻、采样电阻R30进行选择，通常可将最终得到的交流采样电压控制在一定范围内。本发明交流信号变送器，交流信号采样电路1最终得到的交流采样电压通常为0~0.5V。

本发明交流信号变送器，交流信号采样电路1最终得到的交流采样电压输出给交流信号转换电路2，交流信号转换电路2用以对交流信号采样电路1采集的交流采样电压进行转换，转换成按线性比例输出的DC 0~20mA或DC 4~20mA恒流环标准信号，连续输送到其它控制系统（如计算机或显示仪表）进行监视与控制。

本发明交流信号变送器，交流信号采样电路1的输出端与交流信号转换电路2中整流单元21的输入端连接。交流信号转换电路2的整流单元21中，整流单元21的输入端正极和负极间串联有限压电路211，限压电路211通常包括并联于整流单元21输入端正极和负极间的两支路，每条支路上包括四个连接方向相同的二极管，两条支路上的二极管的连接方向相反。如图2和图3所示，一条支路由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4串联形成，另一条支路由二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8串联形成。整流单元21输入端接入交流采样电压，为交流信号，限压电路211并联于整流单元21输入端正极和负极间、限压电路211的两支路，可对该交流信号进行双向降压，避免整流单元21输入端正极和负极间短路，对电路起保护作用，同时，将交流采样电压限制在预置的范围内。本发明交流信号变送器，限压电路211除了上述结构外，还可以是其它如二极管与电阻组成的两支路。

本发明交流信号变送器，整流单元21中，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1、电阻R13、电阻R16和二极管D10构成精密整流电路，对由交流信号采样电路1输入的交流采样电压进行整流。其中，交流信号采样电路1输入到整流单元21的交流采样电压为正半周时，该交流采样电压直接经过电阻R13 和电阻R16输送，仍为正半周；交流信号采样电路1输入到整流单元21的交流采样电压为负半周时，上述由第一路运算放大器U1-1、电阻R13和电阻R16构成的反向放大电路输出信号对该负半周信号进行反向放大，翻转为正半周。如此，实现对由交流信号采样电路1输入的交流采样电压进行整流，将由交流信号采样电路1输入的交流采样电压转换成脉动直流电压信号。而后，该脉动直流电压信号经过由电阻17与电容C1构成的低通滤波电路，得以滤波，变成平稳直流电压信号。该平稳直流电压信号由整流单元21的输出端输出给放大单元22。

本发明交流信号变送器，整流单元21中，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的同相输入端和反相输入端间通常还串联有二极管D9，其中，二极管D9的正极与第一路运算放大器U1-1的同相输入端的连接。二极管D9的设置，用以限制第一路运算放大器U1-1的输入电压，防止输入电压过大，对电路起保护作用。

本发明交流信号变送器，放大单元22中，整流单元21的输出端与电位器VR1间通常还串联有电阻R10。电阻R10可保障线路上的最低阻值，使电位器VR1可选择范围更合适、调节精度更高的电位器。

本发明交流信号变送器，整流单元21的输出端输出平稳直流电压信号给放大单元22后，经过电阻R10、电位器VR1和电阻R8，根据电阻R10、电位器VR1和电阻R8的分压情况，可确定电位器VR1和电阻R8连接点电压被放大的倍数、以及该连接点的电压。也就是说，电阻R10、电位器VR1和电阻R8相配合，用于调节第二路运算放大器U1-2的同相输入端的电压大小，起到满度调整的作用。

本发明交流信号变送器，放大单元22中，第二路运算放大器U1-2反相输入端的基准电压根据需要输出的mA信号种类确定，如若所述交流信号变送器的输出要求为0~20mA的恒流环标准信号，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与放大单元22中第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接，比如焊接，NPN三极管T3的集电极与放大单元22中NPN三极管T2的集电极间悬空；如若所述交流信号变送器的输出要求为4~20mA的恒流环标准信号，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与放大单元22中第二路运算放大器U1-2的反相输入端间悬空，NPN三极管T3的集电极与放大单元22中NPN三极管T2的集电极连接，比如焊接。如图2和图3所示，图中a、b两处分别表示上述两种输出要求下，所进行的焊接或悬空的位置，其中，a、b两处所在的位置是焊接还是悬空，其与输出的mA信号种类关系如下表所示。

输出的mA信号种类	a处	b处
			0~20mA	√	×
4~20mA	×	√

表中，“√”表示焊接，“×”表示悬空。

本发明交流信号变送器，基准单元23中，稳流器U2用于为其所在线路上提供稳定的电流，其中，稳流器U2与电阻R4的连接结构为稳流器的常规用法，这里本发明不再做过多阐述。稳压源T4和电阻R19串联，稳压源T4用于输送稳定的电压（通常为2.5V），电阻R19则用以避免稳压源T4与电源端VCC间短路。稳流器U2和稳压源T4为其连接点提供稳定的电流电压信号。

本发明交流信号变送器，基准单元23中，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与地间串联电阻R5和电位器VR2，电位器VR2的两端并联电阻R1。稳流器U2产生的稳定的电压信号（通常为2.5V）加载到电阻R2、以及电阻R5、电位器VR2和电阻R1所构成的线路上。其中，根据电阻R2、以及电阻R5、电位器VR2和电阻R1所在线路上阻值的分压情况，可确定电阻R2和电阻R5连接点的基准电压（通常为0.5V）。且因为电位器VR2的阻值可调，使得电阻R2和电阻R5连接点的基准电压也可调。

本发明交流信号变送器，电位器VR2所在的线路上，电阻R5和电阻R1可有可无，相比不设置电阻R5和电阻R1的情况，设置电阻R5和电阻R1后，电阻R5和电阻R1可保障线路上的最低阻值，使电位器VR2可选择范围更合适、调节精度更高的电位器。

本发明交流信号变送器，所述交流信号变送器的输出要求为0~20mA的恒流环标准信号时，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与放大单元22中第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接，如焊接，电阻R2和电阻R5连接点的基准电压（通常为0.5V）直接接入到放大单元22中第二路运算放大器U1-2的反相输入端。电阻R2和电阻R5连接点的基准电压（通常为0.5V）直接接入到放大单元22中第二路运算放大器U1-2的反相输入端后，第二路运算放大器U1-2同向输入端与反相输入端之间的电压差值相对较宽，放大单元22可获得更大范围的输出电压信号。

本发明交流信号变送器，所述交流信号变送器的输出要求为4~20mA的恒流环标准信号时，NPN三极管T3的集电极与放大单元22中NPN三极管T2的集电极连接，如焊接，电阻R2和电阻R5连接点的基准电压（通常为0.5V）不直接接入到放大单元22中第二路运算放大器U1-2的反相输入端，而是送入第三路运算放大器U1-3的同相输入端。第三路运算放大器U1-3的输出端因串联NPN三极管T3，并将NPN三极管T3的发射极输出给第三路运算放大器U1-3的反相输入端，构成负反馈，其可使第三路运算放大器U1-3的输出电流恒定；同时，由于NPN三极管T3的集电极与放大单元22中NPN三极管T2的集电极连接，第三路运算放大器U1-3的输出电压接入放大单元22中NPN三极管T2的集电极，NPN三极管T2处于饱合状态，NPN三极管T2集电极与发射极正偏，NPN三极管T2两端电压会有压降，NPN三极管T2发射极电压相对较小，如此，反馈到第二路运算放大器U1-2反相输入端的电压，相比直接将电阻R2和电阻R5连接点的基准电压（通常为0.5V）接入到第二路运算放大器U1-2反相输入端时来得更小，第二路运算放大器U1-2同向输入端与反相输入端之间的电压差值相对也更小，因此，经运放后，第二路运算放大器U1-2输出电压范围也就更小。

本发明交流信号变送器，第二路运算放大器U1-2和第三路运算放大器U1-3的输出电流通常较小，放大单元22中第二路运算放大器U1-2输出端连接NPN三极管T2、基准单元23中第三路运算放大器U1-3输出端NPN三极管T3，第二路运算放大器U1-2和第三路运算放大器U1-3均还具有扩流的作用，分别对第二路运算放大器U1-2和第三路运算放大器U1-3的输出电流进行扩流；同时，因第二路运算放大器U1-2和第三路运算放大器U1-3又同时都是采用电流负反馈，第二路运算放大器U1-2和第三路运算放大器U1-3的输出电流均恒定。

本发明交流信号变送器，放大单元22中，第二路运算放大器U1-2的输出电压加载到电阻R14和采样电阻R12的一端，电阻R14和采样电阻R12另一端的电压由电源端VCC经降压电路241后得到。V/I转换单元24中，降压电路241通常包括三个相串联的二极管，二极管D12、二极管D13和二极管D14，降压电路241中三个串联的二极管连接方向相同、且正极靠近电源端VCC端侧。降压电路241中三个串联的二极管起降压作用，将输入电压控制在预置的范围内，如电源端VCC提供的电压为DC15V，经过降压电路241的降压后，提供给电阻R14和采样电阻R12的电压为DC12V。采样电阻R12两端电压得以控制后，采样电阻R12两端的电压信号即可转换为电流信号（即mA信号），该电流信号（即mA信号）再经过PNP三极管T1的放大后，由所述交流信号变送器的输出端Iout输出。本发明交流信号变送器，降压电路241除了可以是上述结构外，还可以是其它如二极管和电阻的串联结构。

本发明交流信号变送器，V/I转换单元24中第四路运算放大器U1-4的作用是，将第二路运算放大器U1-2的输出电压依次通过第四路运算放大器U1-4的同相输入端、反相输入端等效到采样电阻R12的端部；同时，还用于驱动PNP三极管T1，使经过PNP三极管T1的电流得以放大。

本发明交流信号变送器，所述交流信号变送器的输出端Iout的输出电流由采样电阻R12提供，而经过采样电阻R12的电流由采样电阻R12两端电压差值控制决定，采样电阻R12两端电压差值由放大单元22的输出电压控制决定，这样当放大单元22的输出电压变化时，经过采样电阻R12的电流就会发生改变，所述交流信号变送器的输出端Iout的输出电流即得以改变。也就是说，通过交流信号采样电路1采样得到的交流采样电压，可依次调节控制放大单元22的输出电压、以及所述交流信号变送器的输出端Iout的输出电流，实现将交流信号采样电路1实时感应到的交流信号（如交流电流信号或交流电压信号）转换成符合要求的0~20mA或4~20mA的恒流环标准信号变送输出。

本发明交流信号变送器，V/I转换单元24中，NPN三极管T3的集电极与第四路运算放大器U1-4的同相输入端间通常串联有电阻R15，第四路运算放大器U1-4的同相输入端与地间串联电容C2。其中，电阻R15和电容C2构成低通滤波电路，该低通滤波电路的设置，可使电路电压更加精确稳定。

本发明交流信号变送器，V/I转换单元24中，PNP三极管T1的集电极与所述交流信号变送器的输出端Iout间通常串联有二极管D15，二极管D15的正极与PNP三极管T1的集电极连接。二极管D15可保证输出的单向性，避免后端电路对所述交流信号变送器的影响。

本发明交流信号变送器，V/I转换单元24中，所述交流信号变送器的输出端Iout与地间通常并联有电阻R3和电容C3。电阻R3和电容C3构成电容滤波电路，电容滤波电路的设置使所述交流信号变送器的输出端Iout输出电流更为稳定、可靠。

本发明交流信号变送器，V/I转换单元24中，所述交流信号变送器的输出端Iout与地间通常并联有瞬态二极管TVS1。瞬态二极管TVS1的设置，可保护所述交流信号变送器的输出端Iout输出电压电流过大时，不会损坏后端电路。

本发明交流信号变送器，放大单元22中电位器VR1的作用是，调节放大单元22中第二路运算放大器U1-2同相输入端电压大小，属于增益调节；基准单元23中电位器VR2的作用是，调节电阻R2和电阻R5连接点的基准电压的大小，属于反馈调节。电位器VR1和电位器VR2总的来说，即都是预留校准用，如当所述交流信号变送器的输出端Iout输出信号的零点与满度出现误差时，可以通过电位器VR1和电位器VR2的调节，使所述交流信号变送器的输出端Iout输出信号的误差得到调整，所述交流信号变送器的输出端Iout输出信号得到控制，控制在符合要求的0~20mA或4~20mA内。

本发明交流信号变送器，通过将四路运算放大器U1灵活应用到交流信号转换电路2的整流单元21、放大单元22、基准单元23和V/I转换单元24中，整流单元21、放大单元22、基准单元23和V/I转换单元24相互作用，实现将交流信号采样电路1实时感应到的交流信号（如交流电流信号或交流电压信号）转换成符合要求的0~20mA或4~20mA的恒流环标准信号变送输出。本发明交流信号变送器，避免了AD转换器、单片机处理器、DA转换器等芯片的使用，且四路运算放大器U1中的所有运放均采用单电源（DC15V）供电，所需的电源组数少，其生产成本及使用成本均较低；同时，本发明交流信号变送器电路简单，其因是纯硬件电路，不仅无需编程，使用门槛低，使用方便，且电路中四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1、电阻R13、电阻R16和二极管D10构成精密整流电路、各滤波电路、降压等保护性的功能电路（如限压电路211、降压电路241）的应用，使得电路具有抗干扰能力强、精度等级高等优点。

本发明交流信号变送器，通常还包括电源转换电路20，如图6所示，电源转换电路20用以为主电路10提供电源。电源转换电路20通常包括瞬态二极管、电容和DC-DC电源转换芯片U3，供电电源端Vin与地间串联瞬态二极管TVS2，瞬态二极管TVS2对电源转换电路20起过压保护作用；供电电源端Vin接入的电压（DC24V）经过电容C7的防抖动和电容C5的滤波后，接入到DC-DC电源转换芯片U3，在DC-DC电源转换芯片U3的转换下，得到DC15V的单一电源，该单一电源经过电容C4和C6的滤波后，最终得到主板其它电路所需的DC15V电源，即由交流信号转换电路2中电源端VCC接入的电源。

本发明交流信号变送器，需要说明的是，各电路图中，接线端标号相同的为相连接关系。

本发明对于其所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种交流信号变送器，包括主电路，其特征在于：主电路包括交流信号采样电路和交流信号转换电路，交流信号转换电路包括四路运算放大器U1、若干电阻、若干电容、若干二极管、若干三极管、若干电位器、稳压源T4和稳流器U2，交流信号转换电路分为整流单元、放大单元、基准单元和V/I转换单元；

整流单元中，整流单元的输入端与交流信号采样电路的输出端连接，整流单元的输入端负极接地，整流单元的输入端正极和负极间串联有限压电路，整流单元的输入端正极与四路运算放大器U1中第一运算路放大器U1-1的反相输入端间还串联有电阻R13，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的同相输入端接地，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的反相输入端与输出端间串联电阻R16和二极管D10，其中，二极管D10的正极与第一路运算放大器U1-1的输出端连接，二极管D10的负极与地间还串联有电阻R17和电容C1，其中，电阻R17和电容C1的连接端作为整流单元的输出端；

放大单元中，四路运算放大器U1中第二路运算放大器U1-2的同相输入端与整流单元的输出端间串联电位器VR1，第二路运算放大器U1-2的同相输入端与地间还串联电阻R8，第二路运算放大器U1-2的输出端与NPN三极管T2的基极连接，NPN三极管T2的发射极与地间串联电阻R11，NPN三极管T2的发射极还与第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接；

基准单元中，电源端VCC与地间串联有稳流器U2和稳压源T4，其中，稳压源T4阳极与地连接，稳流器U2的两端还并联有电阻R19，稳压源T4的阴极与四路运算放大器U1中第三路运算放大器U1-3的同相输入端间串联电阻R2，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与地间串联有电位器VR2，第三路运算放大器U1-3的输出端与NPN三极管T3的基极连接，NPN三极管T3的发射极与地间串联电阻R6，NPN三极管T3的发射极还与第二路运算放大器U1-3的反相输入端连接；当所述交流信号变送器的输出要求为0~20mA的恒流环标准信号，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与放大单元中第二路运算放大器U1-2的反相输入端连接；当所述交流信号变送器的输出要求为4~20mA的恒流环标准信号，NPN三极管T3的集电极与放大单元中NPN三极管T2的集电极连接；

V/I转换单元中，电源端VCC与放大单元中NPN三极管T2的集电极间串联降压电路和电阻R14，其中，电阻R14与NPN三极管T2的集电极连接，NPN三极管T2的集电极还与四路运算放大器U1中第四路运算放大器U1-4的同相输入端连接，第四路运算放大器U1-4的输出端与PNP三极管T1的基极连接，PNP三极管T1的发射极与降压电路的输出端间串联有采样电阻R12，PNP三极管T1的发射极还与第四路运算放大器U1-4的反相输入端连接，PNP三极管T1的集电极连接所述交流信号变送器的输出端Iout。

2.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：限压电路包括并联于整流单元输入端正极和负极间的两支路，每条支路上包括四个连接方向相同的二极管，两条支路上的二极管的连接方向相反。

3.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：整流单元中，四路运算放大器U1中第一路运算放大器U1-1的同相输入端和反相输入端间串联有二极管D9，其中，二极管D9的正极与第一路运算放大器U1-1的同相输入端的连接；整流单元的输出端与电位器VR1间串联有电阻R10。

4.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：基准单元中，第三路运算放大器U1-3的同相输入端与地间串联有电阻R5和电位器VR2，电位器VR2的两端并联电阻R1。

5.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：V/I转换单元中，降压电路包括三个相串联的二极管，降压电路中三个串联的二极管连接方向相同、且正极靠近电源端VCC端侧。

6.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：V/I转换单元中，NPN三极管T3的集电极与第四路运算放大器U1-4的同相输入端间串联有电阻R15，第四路运算放大器U1-4的同相输入端与地间串联电容C2。

7.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：V/I转换单元中，PNP三极管T1的集电极与所述交流信号变送器的输出端Iout间串联有二极管D15，二极管D15的正极与PNP三极管T1的集电极连接。

8.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：V/I转换单元中，所述交流信号变送器的输出端Iout与地间并联有电阻R3和电容C3；V/I转换单元中，所述交流信号变送器的输出端Iout与地间还并联有瞬态二极管TVS1。

9.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：所述交流信号变送器用于采集变送交流电流信号，交流信号采样电路通常包括电流互感器CT1和采样电阻R9，采样电阻R9并联于电流互感器CT1的两端，电流互感器CT1的两端为交流信号采样电路的输出端。

10.根据权利要求1所述的交流信号变送器，其特征在于：所述交流信号变送器用于采集变送交流电压信号，交流信号采样电路包括电压互感器PT1，电压互感器的PT1初级线圈串联有输入电阻，电压互感器PT1次级线圈两端并联有采样电阻R30；电压互感器的PT1初级线圈串联的输入电阻由数个电阻串联构成。

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