CN115268558A - 电压与电流通用输出接口电路 - Google Patents

电压与电流通用输出接口电路 Download PDF

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CN115268558A CN202211004495.6A CN202211004495A CN115268558A CN 115268558 A CN115268558 A CN 115268558A CN 202211004495 A CN202211004495 A CN 202211004495A CN 115268558 A CN115268558 A CN 115268558A
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Abstract

本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种电压与电流通用输出接口电路，包括：输出选通开关，输出选通开关用于接收控制信号；在接收到的控制信号为高电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电压信号；在接收到的控制信号为低电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电流信号；同相放大器子电路，与输出选通开关连接，用于为输出选通开关提供电压信号；同相跟随器子电路，与输出选通开关连接，用于为输出选通开关提供电流信号。可以解决控制器的控制效率较低的问题。可以提高控制器的控制效率。

Description

电压与电流通用输出接口电路
技术领域
本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种电压与电流通用输出接口电路。
背景技术
现有的控制器，例如智能仪表，DDC控制器，阀门等，或者带信号输出功能的智能传感器，在进行信号远距离传送时，通常会采用电压信号或电流信号的方式传送。
传统的控制器通常将电压和电流分别处理，包括同时使用不同输出型号的产品，或是采用电压输出端和电流输出端分别输出电压信号和电流信号。
然而，无论是使用不同输出型号的产品，还是使用电压输出端和电流输出端分别输出电压信号和电流信号，电流输出端与电压输出端之间不能相互切换，端口输出类型更不能现场设置，导致控制器的控制效率较低的问题。
发明内容
本申请提供了一种电压与电流通用输出接口电路，可以解决控制器的控制效率较低的问题。本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种电压与电流通用输出接口电路，包括：所述输出接口电路包括：输出选通开关，所述输出选通开关用于接收控制信号；在接收到的所述控制信号为高电平信号的情况下，控制所述输出选通开关的通用输出端输出电压信号；在接收到的所述控制信号为低电平信号的情况下，控制所述输出选通开关的通用输出端输出电流信号；所述同相放大器子电路，与所述输出选通开关连接，用于为所述输出选通开关提供所述电压信号；所述同相跟随器子电路，与所述输出选通开关连接，用于为所述输出选通开关提供所述电流信号。
可选地，所述同相放大器子电路包括第一运算放大器、NPN三极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一运算放大器的同相输入端与控制电压端连接，用于接收所述控制电压端提供的控制电压；所述第一运算放大器的输出端通过所述第一电阻与所述NPN三极管的基级连接；所述NPN三极管的发射极与所述第二电阻的一端连接；所述第二电阻的另一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接；所述NPN三极管的发射极还与所述输出选通开关连接；所述第一运算放大器的反相输入端与所述第三电阻的一端连接；所述第三电阻的另一端接地。
可选地，所述输出接口电路还包括第四电阻和第五电阻；所述同相跟随器子电路包括第二运算放大器、PNP三级管和第六电阻；所述NPN三极管的集电极与所述第四电阻的一端连接；所述第四电阻的另一端与电源端连接；所述第五电阻的一端与所述电源端连接；所述第五电阻的另一端与所述第二运算放大器的反相输入端连接；所述第二运算放大器的输出端与所述第六电阻的一端连接；所述第六电阻的另一端与所述PNP三极管的基级连接；所述第二运算放大器的反相输入端还与所述PNP三级管的发射极连接；所述PNP三极管的集电极与所述输出选通开关连接。
可选地，所述输出选通开关还包括N沟道MOS管阵列；所述N沟道MOS管阵列包括第一N沟道MOS管、第二N沟道MOS管、第三N沟道MOS管和第四N沟道MOS管；所述在接收到控制信号为高电平信号的情况下，控制所述输出选通开关与同相放大器子电路导通，包括：在所述控制信号为所述高电平信号的情况下，控制所述第一N沟道MOS管和所述第四N沟道MOS管导通，控制所述第二N沟道MOS管和所述第三N沟道MOS截止；相应地，所述在接收到的控制信号为低电平信号的情况下，控制所述输出选通开关与同相跟随器子电路导通，包括：在所述控制信号为所述低电平信号的情况下，控制所述第一N沟道MOS管和所述第四N沟道MOS管截止，控制所述第二N沟道MOS管和所述第三N沟道MOS导通。
可选地，所述控制电压与所述电压信号存在第一线性关系；所述控制电压与所述电流信号存在第二线性关系。
可选地，所述第一线性关系基于所述控制电压、所述第一电阻的阻值、所述第二电阻的阻值和所述第三电阻的阻值确定；所述第二线性关系基于所述控制电压、所述第三电阻的阻值、所述第四电阻的阻值和所述第五电阻的阻值确定。
可选地，所述通用输出端为单一接口，与负载连接；用于向所述负载提供所述电压信号或者所述电流信号。
可选地，所述输出选通开关还包括I/O接口，所述I/O接口与MCU连接，用于接收所述MCU发送的所述控制信号。
可选地，所述第一运算放大器包括以下几种中的至少一种：通用型单电源运算放大器、通用型双电源运算放大器、仪用放大器和轨至轨放大器；所述第二运算放大器包括以下几种中的至少一种：通用型单电源运算放大器、通用型双电源运算放大器、仪用放大器和轨至轨放大器。
可选地，所述控制电压端包括以下几种中的至少一种：手调电位器、数控电位器、DAC转换器和PWM积分电路。
本申请的有益效果在于：通过输出选通开关接收控制信号；在接收到的控制信号为高电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电压信号；在接收到的控制信号为低电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电流信号；同相放大器子电路，与输出选通开关连接，用于为输出选通开关提供电压信号；同相跟随器子电路，与输出选通开关连接，用于为输出选通开关提供电流信号。可以解决控制器的控制效率较低的问题。通过同相放大器子电路为输出选通开关提供电压信号，通过同相跟随器子电路为输出选通开关提供电流信号，输出选通开关基于接收到的控制信号来控制电压信号或电流信号的输出，无需更换输出端或者控制器的类型，可以提高控制器的控制效率。
另外，同相放大器子电路包括第一运算放大器、NPN三极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，同相跟随器子电路包括第二运算放大器、PNP三级管和第六电阻，无需以集成芯片或厚膜电路等电路形式产生电压信号或电流信号，简化了控制器的输出电路的结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的一个实施例提供的电压与电流通用输出接口电路的电路结构示意图；
图2是本申请的一个实施例提供的输出选通开关的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。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。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本申请。
首先，对本申请涉及的若干名词进行介绍。
NPN三极管(NPN Type Triode)：NPN型三极管是指由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成的三极管；也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。三极管是电子电路中最重要的器件，它最主要的功能是电流放大和开关作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量。
PNP三极管(PNP Triode)：PNP型三极管是由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管，所以称为PNP型三极管。也可以描述成，电流从发射极E流入的三极管。
N沟道MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor)：由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作n沟道MOS管，该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。n沟道增强型MOS管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道MOS管。n沟道耗尽型MOS管是指在不加栅压(栅源电压为零)时，就有导电沟道产生的n沟道MOS管。
下面对本申请提供的电压与电流通用输出接口电路进行详细介绍。
如图1所示，本申请的实施例提供的电压与电流通用输出接口电路，至少包括：同相放大器子电路110，同相跟随器子电路120和输出选通开关JK。
其中，输出选通开关JK用于：接收控制信号；在接收到的控制信号为高电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电压信号；在接收到的控制信号为低电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电流信号。
本实施例中，输出选通开关Jk包括电压端A、电流端B和通用输出端C，同相放大器子电路通过电压端A与输出开关JK连接。相应地，同相跟随器子电路通过电压端B与输出开关JK连接。
在电压端A与通用输出端C导通，且电流端B与通用输出端C截止情况下，通用输出端C输出电压信号；在电压端A与通用输出端C截止，且电流端B与通用输出端C导通情况下，通用输出端C输出电流信号。
其中，通用输出端C为单一接口，与负载连接；用于向负载提供电压信号或者电流信号。
参考图2，通用输出端C可以为一根导线，负载可以为负载电阻RLoad。
实际实现，通用输出端C和负载也可以是其它元件，本实施例不对通用输出端C和负载的实现方式作限定。
如图2所示，本实施例中，输出选通开关JK还包括N沟道MOS管阵列。其中，N沟道MOS管阵列包括第一N沟道MOS管Q1、第二N沟道MOS管Q2、第三N沟道MOS管Q3和第四N沟道MOS管Q4。
另外，输出选通开关JK还包括I/O接口，I/O接口与MCU连接，用于接收MCU发送的控制信号。
其中，MCU是指控制器或者智能仪表内部的MCU。
本实施例中，控制信号包括高电平信号和低电平信号，下面对控制信号分别为高电平信号和低电平信号的情况进行介绍：
第一种情况，控制信号为高电平信号。此时，第一N沟道MOS管Q1导通，漏极电位(Vh)为低电平，第三N沟道MOS管Q3由于无栅极电压而截止，电流端B与通用输出端C之间截止。
同时，第二N沟道MOS管Q2截止，且第二N沟道MOS管Q2的栅极电压(Vg)为高电平，使得第四N沟道MOS管Q4导通，电压端A与通用输出端C之间导通，使得输出的电压信号通过第四N沟道MOS管Q4传递到负载电阻RLoad。
第二种情况，控制信号为低电平信号。此时，第一N沟道MOS管Q1截止，漏极电位(Vh)为高电平，第二N沟道MOS管Q2导通，且第二N沟道MOS管Q2的栅极电压(Vg)为低电平，第四N沟道MOS管Q4截止断开电压端A和通用输出端C。
同时，第三N沟道MOS管Q3导通，电流端B与通用输出端C之间导通，输出的电流信号通过第三N沟道MOS管Q3传递到负载电阻RLoad。
本实施例中，由于N沟道MOS管在导通时其内部的电阻值仅为数十毫欧，与负载电阻RLoad比较，可以看作是“完全导通”，同样的，N沟道MOS管截止时其内部电阻值高达数十兆殴，可以看作是“完全断开”。
同相放大器子电路110与输出选通开关JK连接，用于为输出选通开关JK提供电压信号。
参考图1，同相放大器子电路110包括第一运算放大器U1、NPN三极管T1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。
其中，第一运算放大器U1的同相输入端与控制电压端连接，用于接收控制电压端提供的控制电压；第一运算放大器U1的输出端通过第一电阻R1与NPN三极管T1的基级连接；NPN三极管T1的发射极与第二电阻R2的一端连接；第二电阻R2的另一端与第一运算放大器U1的反相输入端连接；NPN三极管T1的发射极还与输出选通开关JK连接；第一运算放大器U1的反相输入端与第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3的另一端接地。
具体地，NPN三极管T1的发射极与输出选通开关JK的电压端A连接。
可选地，控制电压端包括以下几种中的至少一种：手调电位器、数控电位器、DAC转换器和PWM积分电路。
可选地，第一运算放大器U1包括以下几种中的至少一种：通用型单电源运算放大器、通用型双电源运算放大器、仪用放大器和轨至轨放大器。
本实施例中，控制电压端用于提供控制电压Vin，控制电压Vin经由第一运算放大器U1输入同相放大器子电路110。
本实施例中，第一运算放大器U1的放大倍数Gu为可以通过下式表示：
Gu＝1+(r2/r3)
式中，Gu表示第一运算放大器U1的放大倍数，r2表示第二电阻R2的电阻值；r3表示第一电阻R3的电阻值。
本实施例中，控制电压Vin与电压信号存在第一线性关系，且该第一线性关系基于控制电压Vin、第二电阻的阻值和第三电阻的阻值确定。
由运放的虚拟特性可知，第一运算放大器U1的反相输入端和第一运算放大器U1的同相输入端端为同电位。则第一线性关系可以通过下式表示：
Vout＝Vin×Gu
式中，Vout表示电压信号，Vin表示控制电压，Gu表示第一运算放大器U1的放大倍数。
实际实现时，可以通过第一线性关系确定同相放大器子电路110中各个电阻的阻值，换言之，也可以通过设置同相放大器子电路110中各个电阻的阻值来修改第一线性关系。
比如：以输入的控制电压Vin的范围为0至3.0V为例，设第三电阻R3的电阻值r3为1kΩ，当Vin＝3.0V时，输出的电压信号Vout为10V，则第二电阻R2的电阻值r2为2.33kΩ。
本实施例中，输出接口电路还包括第四电阻R4和第五电阻R5；同相跟随器子电路120包括第二运算放大器U2、PNP三级管T2和第六电阻R6。
其中，NPN三极管T1的集电极与第四电阻的R4一端连接；第四电阻R4的另一端与电源端连接；第五电阻R5的一端与电源端连接；第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2的反相输入端连接；第二运算放大器U2的输出端与第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的另一端与PNP三极管T2的基级连接；第二运算放大器U1的反相输入端还与PNP三级管T2的发射极连接；PNP三极管T2的集电极与输出选通开关连接。
可选地，第二运算放大器U2包括以下几种中的至少一种：通用型单电源运算放大器、通用型双电源运算放大器、仪用放大器和轨至轨放大器。
本实施例中，电源端用于提供预设电压。其中，预设电压包括但不限于24V或者15V，本实施例不对预设电压的实现方式作限定。
具体地，PNP三极管T2的集电极与输出选通开关的电流端B连接，向输出选通开关JK提供电流信号。
本实施例中，PNP三级管T2输出的电流信号的大小取决于预设电压与第五电阻R5不与电源端连接的一端的电位Vf的差值，即，第五电阻R5两端的电压，与第五电阻R5的电阻值r5的比值，具体地，PNP三级管T2输出的电流信号的大小Iout可以通过下式表示：
Iout＝VR5/r5
式中，Iout表示PNP三级管T2输出的电流信号的大小，VR5表示第五电阻R5两端的电压，r5表示第五电阻R5的电阻值。
同时，第二运算放大器U2的同相输入端的电压Ve取决于预设电压与第四电阻R4中的电流值所生产的压降之差值，即，第四电阻R4两端的电压值VR4。
又由于运放虚拟特性可知Vf必须与Ve相等，即，第四电阻R4两端的电压VR4和第五电阻R5两端的电压VR5相等，因此，可得到下式：
Iout＝VR4/r5
式中，Iout表示PNP三级管T2输出的电流信号的大小，VR4表示第4电阻R4两端的电压，r5表示第五电阻R5的电阻值。
本实施例中，NPN三级管T1的基级电流可忽略不计，第四电阻R4中的电流与第二电阻R2和第三电阻R3中的电流相等。
其中，第三电阻R3中的电流i3可以通过下式表示：
i3＝Vd/r3
式中，i3表示第三电阻R3中的电流，Vd表示第一运算放大器U1的反相输入端的电压，r3表示第三电阻R3的电阻值。
由于第一运算放大器U1的同相输入端的控制电压Vin与第一运算放大器U1的反相输入端的电压Vd相同，因此，第三电阻R3中的电流i3也可以通过下式表示：
i3＝Vin/r3
式中，i3表示第三电阻R3中的电流，Vin表示第一运算放大器U1的同相输入端的电压，r3表示第三电阻R3的电阻值。
第四电阻R4两端的电压VR4可以通过下式表示：
VR4＝r4×Vin/r3
式中，VR4表示第四电阻R4两端的电压，r4表示第四电阻R4的电阻值，Vin表示第一运算放大器U1的同相输入端的电压，r3表示表示第三电阻R3的电阻值。
基于此，电流信号还可以通过下式表示：
Iout＝(r4×Vin/r3)/r5
式中，Iout表示电流信号的值，r4表示第四电阻R4的电阻值，Vin表示控制电压，r3表示第三电阻R3的电阻值，r5表示第五电阻R5的电阻值。
因此，本实施例中，控制电压Vin与电流信号存在第二线性关系，且该第二线性关系是基于控制电压Vin、第三电阻R3的阻值r3、第四电阻R4的阻值r4和第五电阻R5的阻值r5确定的。
实际实现时，可以通过第二线性关系确定同相跟随器子电路120中各个电阻的阻值，换言之，也可以通过设置同相跟随器子电路120中各个电阻的阻值来修改第二线性关系。
比如：以输入的控制电压Vin的为3.0V为例，输出的电流信号的值为20mA，若第三电阻R3的电阻值r3为1kΩ,第四电阻R4的电阻值r4为510Ω，则第五电阻R5的电阻值r5为76.5Ω。
综上所述，本实施例提供的电压与电流通用输出接口电路，通过输出选通开关接收控制信号；在接收到的控制信号为高电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电压信号；在接收到的控制信号为低电平信号的情况下，控制输出选通开关的通用输出端输出电流信号；同相放大器子电路，与输出选通开关连接，用于为输出选通开关提供电压信号；同相跟随器子电路，与输出选通开关连接，用于为输出选通开关提供电流信号。可以解决控制器的控制效率较低的问题。通过同相放大器子电路为输出选通开关提供电压信号，通过同相跟随器子电路为输出选通开关提供电流信号，输出选通开关基于接收到的控制信号来控制电压信号或电流信号的输出，无需更换输出端或者控制器的类型，可以提高控制器的控制效率。
另外，同相放大器子电路包括第一运算放大器、NPN三极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，同相跟随器子电路包括第二运算放大器、PNP三级管和第六电阻，无需以集成芯片或厚膜电路等电路形式产生电压信号或电流信号，简化了控制器的输出电路的结构。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述输出接口电路包括：
输出选通开关，所述输出选通开关用于接收控制信号；在接收到的所述控制信号为高电平信号的情况下，控制所述输出选通开关的通用输出端输出电压信号；在接收到的所述控制信号为低电平信号的情况下，控制所述输出选通开关的通用输出端输出电流信号；
所述同相放大器子电路，与所述输出选通开关连接，用于为所述输出选通开关提供所述电压信号；
所述同相跟随器子电路，与所述输出选通开关连接，用于为所述输出选通开关提供所述电流信号。
2.根据权利要求1所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述同相放大器子电路包括第一运算放大器、NPN三极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻；
所述第一运算放大器的同相输入端与控制电压端连接，用于接收所述控制电压端提供的控制电压；
所述第一运算放大器的输出端通过所述第一电阻与所述NPN三极管的基级连接；
所述NPN三极管的发射极与所述第二电阻的一端连接；
所述第二电阻的另一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接；
所述NPN三极管的发射极还与所述输出选通开关连接；
所述第一运算放大器的反相输入端与所述第三电阻的一端连接；
所述第三电阻的另一端接地。
3.根据权利要求2所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述输出接口电路还包括第四电阻和第五电阻；所述同相跟随器子电路包括第二运算放大器、PNP三级管和第六电阻；
所述NPN三极管的集电极与所述第四电阻的一端连接；
所述第四电阻的另一端与电源端连接；
所述第五电阻的一端与所述电源端连接；
所述第五电阻的另一端与所述第二运算放大器的反相输入端连接；
所述第二运算放大器的输出端与所述第六电阻的一端连接；
所述第六电阻的另一端与所述PNP三极管的基级连接；
所述第二运算放大器的反相输入端还与所述PNP三级管的发射极连接；
所述PNP三极管的集电极与所述输出选通开关连接。
4.根据权利要求3所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述控制电压与所述电压信号存在第一线性关系；所述控制电压与所述电流信号存在第二线性关系。
5.根据权利要求4所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述第一线性关系基于所述控制电压、所述第一电阻的阻值、所述第二电阻的阻值和所述第三电阻的阻值确定；所述第二线性关系基于所述控制电压、所述第三电阻的阻值、所述第四电阻的阻值和所述第五电阻的阻值确定。
6.根据权利要求1所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述输出选通开关还包括N沟道MOS管阵列；所述N沟道MOS管阵列包括第一N沟道MOS管、第二N沟道MOS管、第三N沟道MOS管和第四N沟道MOS管；
所述在接收到控制信号为高电平信号的情况下，控制所述输出选通开关与同相放大器子电路导通，包括：
在所述控制信号为所述高电平信号的情况下，控制所述第一N沟道MOS管和所述第四N沟道MOS管导通，控制所述第二N沟道MOS管和所述第三N沟道MOS截止；
相应地，所述在接收到的控制信号为低电平信号的情况下，控制所述输出选通开关与同相跟随器子电路导通，包括：
在所述控制信号为所述低电平信号的情况下，控制所述第一N沟道MOS管和所述第四N沟道MOS管截止，控制所述第二N沟道MOS管和所述第三N沟道MOS导通。
7.根据权利要求1所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述通用输出端为单一接口，与负载连接；用于向所述负载提供所述电压信号或者所述电流信号。
8.根据权利要求1所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，所述输出选通开关还包括I/O接口，所述I/O接口与MCU连接，用于接收所述MCU发送的所述控制信号。
9.根据权利要求1所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，
所述第一运算放大器包括以下几种中的至少一种：通用型单电源运算放大器、通用型双电源运算放大器、仪用放大器和轨至轨放大器；
所述第二运算放大器包括以下几种中的至少一种：通用型单电源运算放大器、通用型双电源运算放大器、仪用放大器和轨至轨放大器。
10.根据权利要求1所述的电压与电流通用输出接口电路，其特征在于，
所述控制电压端包括以下几种中的至少一种：手调电位器、数控电位器、DAC转换器和PWM积分电路。
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