CN117498887B - 一种双功率运放并驱的mbus主节点电路 - Google Patents

一种双功率运放并驱的mbus主节点电路 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其包括具有双功率运放单元的MBUS主节点发送电路，双功率运放单元的输入端连接串行接口的信号发送端，双功率运放单元的输出信号并联驱动MBUS总线，双功率运放单元包括第一电压跟随电路和第二电压跟随电路，第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的正相输入端均连接至放大电路的输出端，第一电压跟随电路的反相输入端连接至第一电压跟随电路的输出端，第二电压跟随电路的反相输入端连接至第二电压跟随电路的输出端，第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的输出端分别通过一个肖特基二极管连接至MBUS总线。本发明实施例驱动能力大幅提升，能满足大容量子节点驱动要求。

Description

一种双功率运放并驱的MBUS主节点电路
技术领域
本发明属于通信接口电路领域，尤其涉及MBUS总线接口主节点发送、接收电路，电路适用于大容量子节点的MBUS总线数据采集。
背景技术
MBUS（MeterBUS）总线是直流供电线和通信线复用的现场总线，具备完整的物理层技术规范和通信协议标准，是水表、燃气表、热表的通信接口通常采用MBUS总线。
通常的MBUS总线接口主节点发送/接收电路有以下两种方式实现：
第一种方式：
MBUS总线主节点发送电路采用单功率运放驱动，MBUS总线主节点接收电路采用几十欧采样电阻，通过单运放将采样电阻上的子节点回传信号还原为通信编码，这种方式实现的MBUS主节点，优点是电路简单，因为采样电阻阻值大，MBUS子节点数量增加后，采样电阻阻压降大，发热严重，另外，电路采用二极管解码方式，接收解码灵敏度低。
第二种方式：
MBUS总线发送电路采用采用双电源加功率MOS管驱动方式、MBUS总线接收电路采用双运放通过两级放大将采样电阻电压信号还原为通信编码，采样电阻选用较小，电路的优点是驱动能力强，驱动子节点数量大，采样电阻不发热，接收解码灵敏度高，缺点是，电源电路复杂，驱动双MOS管导通/截止同步失控时，易产生涌流。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明实施例的目的在于提供一种双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其驱动能力大幅提升，能满足大容量子节点驱动要求。
为解决上述问题，本发明实施例第一方面公开一种双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其包括MBUS主节点发送电路，所述MBUS主节点发送电路包括第一放大电路以及双功率运放单元，所述第一放大电路的输入端连接至串行接口的信号发送端TXD，所述第一放大电路的输出端通过所述双功率运放单元的输入端，所述双功率运放单元的输出信号并联驱动MBUS总线，其中，所述双功率运放单元包括第一电压跟随电路和第二电压跟随电路，所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的正相输入端均连接至所述第一放大电路的输出端，所述第一电压跟随电路的反相输入端连接至所述第一电压跟随电路的输出端，所述第二电压跟随电路的反相输入端连接至所述第二电压跟随电路的输出端，所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的输出端分别通过一个肖特基二极管连接至所述MBUS总线。
作为可选的方案，所述肖特基二极管为SS1肖特基二极管。
作为可选的方案，所述第一放大电路包括电阻R4、NPN三极管Q2、电阻R2、NPN三极管Q1、电阻R1以及电阻R3，其中，所述NPN三极管Q2的基极通过电阻R4连接至所述串行接口的信号发送端TXD，所述NPN三极管Q2的集电极经由电阻R2连接至第一电源的输出端，所述NPN三极管Q1的基极连接至所述电阻R2和NPN三极管Q2的集电极之间，所述NPN三极管Q1的集电极通过电阻R3连接至所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的正相输入端，所述NPN三极管Q2和所述NPN三极管Q1的发射极均接地，所述电阻R1的一端连接至所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的正相输入端，所述电阻R1的另一端连接至第二电源的输出端。
作为可选的方案，所述MBUS主节点发送电路还包括瞬间抑制二极管TVS1和热敏电阻SR1，其中，所述热敏电阻SR1的一端连接两个肖特基二极管的阴极，所述热敏电阻SR1的另一端连接至所述MBUS总线，所述瞬间抑制二极管TVS1的一端连接至所述热敏电阻SR1和两个肖特基二极管的阴极之间，所述瞬间抑制二极管TVS1的另一端接地。
作为可选的方案，所述MBUS主节点电路还包括MBUS主节点接收电路，所述MBUS主节点接收电路包括采样电阻以及两级运放信号放大电路，所述采样电阻与MBUS总线的信号发送端相连，以获取采样信号，所述两级运放信号放大电路包括高增益差分信号放大电路和比较器信号放大电路，所述高增益差分信号放大电路的输入端连接至所述采样电阻的输出端，所述比较器信号放大电路的输入端连接至所述高增益差分信号放大电路的输出端，以将小阻值的采样电阻的采样信号还原为通信编码，所述比较器信号放大电路的输出端连接串行接口的信号接收端RXD。
作为可选的方案，所述高增益差分信号放大电路包括放大器N2A、电阻R6、电阻R9、电阻R8、电阻R14电阻R12以及电容C3和电容C4，所述采样电阻的一端连接至MBUS总线的负端子，所述采样电阻的另一端接地，所述放大器N2A的正相输入端通过电阻R12、电容C4连接至所述采样电阻和MBUS总线的负端子之间，所述放大器N2A的反相输入端通过电阻R9、电容C3连接至所述采样电阻和MBUS总线的负端子之间，所述电阻R8的一端连接至所述电阻R9和电容C3之间，所述电阻R8的另一端接地，所述电阻R14的一端连接至所述电阻R12和放大器N2A的正相输入端之间，所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R6的两端分别连接至所述放大器N2A的反相输入端和放大器N2A的输出端之间，所述放大器N2A的输出端连接至所述比较器信号放大电路的输入端。
作为可选的方案，所述比较器信号放大电路包括放大器N2B、电阻R5、电阻R17和电阻R18，所述电阻R5的两端分别连接至所述放大器N2A的输出端和放大器N2B的反相输入端，所述电阻R17的一端接地，所述电阻R17的另一端连接至所述放大器N2B的正相输入端，所述电阻R18的一端接地，电阻R18的另一端连接至第一电源的输出端，所述放大器N2B的输出端连接至所述串行接口的信号接收端RXD。
作为可选的方案，所述MBUS主节点接收电路还包括第二放大电路，所述第二放大电路包括NPN三极管Q3、电阻R10和电阻R7，所述NPN三极管Q3的基极通过电阻R10连接至所述放大器N2B的输出端，所述NPN三极管Q3的集电极通过电阻R7连接至第一电源的输出端，所述NPN三极管Q3的发射极接地，所述串行接口的信号接收端RXD连接至所述NPN三极管Q3的集电极和电阻R7之间。
作为可选的方案，所述MBUS主节点接收电路还包括电阻网络调理电路，所述电阻网络调理电路包括电阻R19、电阻R13和电阻R15，所述电阻R13的两端串联于所述电阻R12和电容C4之间，所述电阻R15的一端连接至所述电阻R12和电阻R13之间，所述电阻R19的一端连接至所述电阻R13和电容C4之间，所述电阻R15和电阻R19的另一端均接地。
作为可选的方案，所述电容C3的容值为2.2uF，或/和，所述电容C4的容值为2.2uF，或/和，所述电阻R8的阻值为10KΩ，或/和，所述电阻R6的阻值为510KΩ，或/和，所述电阻R14的阻值为510KΩ，或/和，所述电阻R9的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R12的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R13的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R15的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R19的阻值为1KΩ，或/和，所述采样电阻的阻值为3Ω。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明实施例的MBUS主节点发送电路采用单片双功率运放并驱MBUS总线，驱动能力大幅提升，能满足大容量子节点驱动要求，MBUS主节点接收电路采用单片双运放芯片，前级采用高增益差分放大方式、后级采用比较器放大方式及更小阻值采样电阻，将子节点回传信号还原为通信编码，具有更高的解码分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种双功率运放并驱的MBUS主节点电路的电路原理图。
具体实施方式
本具体实施方式仅仅是对本发明实施例的解释，其并不是对本发明实施例的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明实施例的权利要求范围内都受到专利法的保护。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明实施例采用单片双功率运放并驱MBUS总线，驱动能力大幅提升，能满足大容量子节点驱动要求，采用前级采用高增益差分放大方式、后级采用比较器放大方式的单片双运放芯片，将更小阻值采样电阻采样的子节点回传信号还原为通信编码，具有更高的解码分辨率，以下结合附图进行详细描述。
实施例
在目前的MBUS总线数据采集应用中，接入子节点数量要求很大，与过去子节点数量64相比，增加了几倍，传统的MBUS总线主节点驱动方式不能满足现场要求，另外，因MBUS总线电流增大，采样电阻压降上升，将导致MBUS总线电压下降，影响子节点正常工作。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种双功率运放并驱的MBUS主节点电路，请参照图1所示，其可以包括MBUS主节点发送电路和MBUS主节点发送电路。其中，MBUS主节点发送电路采用单片双功率运放并驱MBUS总线，双功率运放单元采用电压跟随电路方式，双功率运放输入信号完全相同，输出信号通过两个肖特基二极管阴极连接方式并联驱动MBUS总线，其驱动能力大幅提升，能满足大容量子节点驱动要求。MBUS主节点接收电路采用单片双运放芯片构成的MBUS总线主节点接收解码电路，由两级运放信号放大电路，前级采用高增益差分信号放大电路方式、后级采用比较器信号放大电路方式，将小阻值采样电阻上的信号还原为通信编码。
具体地，MBUS主节点发送电路包括第一放大电路以及双功率运放单元，第一放大电路的输入端连接至串行接口的信号发送端TXD，第一放大电路的输出端通过双功率运放单元的输入端，双功率运放单元的输出信号并联驱动MBUS总线。
双功率运放单元包括第一电压跟随电路（由放大器N1A构成）和第二电压跟随电路（由放大器N1B构成），放大器N1A和放大器N1B的正相输入端均连接至第一放大电路的输出端，放大器N1A的反相输入端连接至放大器N1A输出端，放大器N1B的反相输入端连接至放大器N1B的输出端，放大器N1A和放大器N1B分别通过肖特基二极管VD1和肖特基二极管VD2连接至MBUS总线（MBUS+）。
肖特基二极管正向压降小、反向恢复时间短具有损耗小、噪声低、检波灵敏度高、稳定可靠等特点，在本发明中，肖特基二极管VD1和肖特基二极管VD2可以常用SS1系列（例如SS12等）的肖特基二极管。
第一放大电路用于对串行接口的信号发送端TXD的发送信号进行放大。第一放大电路可以包括电阻R4、NPN三极管Q2、电阻R2、NPN三极管Q1、电阻R1以及电阻R3，其中，NPN三极管Q2的基极通过电阻R4连接至串行接口的信号发送端TXD，NPN三极管Q2的集电极经由电阻R2连接至第一电源（+5V电源）的输出端，NPN三极管Q1的基极连接至电阻R2和NPN三极管Q2的集电极之间，NPN三极管Q1的集电极通过电阻R3连接至放大器N1A和放大器N1B的正相输入端，NPN三极管Q2和NPN三极管Q1的发射极均接地，电阻R1的一端也连接至放大器N1A和放大器N1B的正相输入端，电阻R1的另一端连接至第二电源（+32V电源）的输出端。
为了使得电路稳定，同时起到抑制温度对电路带来的漂移，在本发明较佳的实施例中，MBUS主节点发送电路还包括瞬间抑制二极管TVS1和热敏电阻SR1，其中，热敏电阻SR1的一端连接肖特基二极管VD1和肖特基二极管VD2的阴极（肖特基二极管VD1和肖特基二极管VD2的阳极分别连接至放大器N1A和放大器N1B的输出端），热敏电阻SR1的另一端连接至MBUS总线，瞬间抑制二极管TVS1的一端连接至热敏电阻SR1和两个肖特基二极管的阴极之间，瞬间抑制二极管TVS1的另一端接地。
其中，瞬间抑制二极管TVS1起到防静电以及浪涌等冲击，对电路器件起到一定的保护作用，同时还可以避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响，而热敏电阻SR1可以起到抑制温漂的作用，保证电路输出的稳定性。
MBUS主节点发送电路驱动能力强，实测最大驱动MBUS子节点数量256，接收解码正确，无误码，数据采集现场长期运行正常。
MBUS主节点接收电路可以包括采样电阻R16以及两级运放信号放大电路，采样电阻R16与MBUS总线的信号发送端（MBUS-）相连，以获取采样信号，两级运放信号放大电路包括高增益差分信号放大电路和比较器信号放大电路，高增益差分信号放大电路的输入端连接至采样电阻R16的输出端，比较器信号放大电路的输入端连接至高增益差分信号放大电路的输出端，以将小阻值的采样电阻的采样信号还原为通信编码，比较器信号放大电路的输出端连接串行接口的信号接收端RXD。
采样电阻R16可以采用很小的阻值，例如3Ω，经过前级高增益差分信号放大电路和后级采用比较器信号放大电路后，将小阻值采样电阻上的信号还原为通信编码。
高增益差分信号放大电路包括放大器N2A、电阻R6、电阻R9、电阻R8、电阻R14电阻R12以及电容C3和电容C4，采样电阻的一端连接至MBUS总线的负端子（MBUS-），采样电阻的另一端接地，放大器N2A的正相输入端通过电阻R12、电容C4连接至采样电阻和MBUS总线的负端子之间，放大器N2A的反相输入端通过电阻R9、电容C3连接至采样电阻和MBUS总线的负端子之间，电阻R8的一端连接至电阻R9和电容C3之间，电阻R8的另一端接地，电阻R14的一端连接至电阻R12和放大器N2A的正相输入端之间，电阻R14的另一端接地，电阻R6的两端分别连接至放大器N2A的反相输入端和放大器N2A的输出端之间，放大器N2A的输出端连接至比较器信号放大电路的输入端。
在高增益差分信号放大电路中，为了保证对信号进行调理，还可以包括电阻网络调理电路采用π型网络实现，其包括电阻R19、电阻R13和电阻R15，电阻R13的两端串联于电阻R12和电容C4之间，电阻R15的一端连接至电阻R12和电阻R13之间，电阻R19的一端连接至电阻R13和电容C4之间，电阻R15和电阻R19的另一端均接地。
采样电阻R16上的子节点编码信号，一路由C3电容耦合进入放大器N2A的反相输入端，另一路由C4电容耦合，再通过R19、R13、R15电阻网络调理，进入放大器N2A的正相输入端。
优选地，电容C3/C4可以采用容值为2.2uF的电容，电阻R8可以采用阻值为10KΩ的电阻，电阻R6/ R14可以采用阻值为510KΩ的电阻，电阻R9/R12/R13/R15可以采用阻值为2KΩ的电阻，电阻R19可以采用阻值为1KΩ的电阻。
比较器信号放大电路包括放大器N2B、电阻R5、电阻R17和电阻R18，电阻R5的两端分别连接至放大器N2A的输出端和放大器N2B的反相输入端，电阻R17的一端接地，电阻R17的另一端连接至放大器N2B的正相输入端，电阻R18的一端接地，电阻R18的另一端连接至第一电源的输出端，放大器N2B的输出端连接至串行接口的信号接收端RXD。
MBUS主节点接收电路还包括第二放大电路，第二放大电路包括NPN三极管Q3、电阻R10和电阻R7，NPN三极管Q3的基极通过电阻R10连接至放大器N2B的输出端，NPN三极管Q3的集电极通过电阻R7连接至第一电源的输出端，NPN三极管Q3的发射极接地，串行接口的信号接收端RXD连接至NPN三极管Q3的集电极和电阻R7之间。第二放大电路用于将小阻值采样电阻上的信号还原后的通信编码进行放大，输出给串行接口的信号接收端RXD。
上面结合附图对本发明实施例进行了描述，但是本发明实施例并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明实施例的启示下，在不脱离本发明实施例宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明实施例的保护之内。

Claims (10)

1.一种双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，其包括MBUS主节点发送电路，所述MBUS主节点发送电路包括第一放大电路以及双功率运放单元，所述第一放大电路的输入端连接至串行接口的信号发送端TXD，所述第一放大电路的输出端通过所述双功率运放单元的输入端，所述双功率运放单元的输出信号并联驱动MBUS总线，其中，所述双功率运放单元包括第一电压跟随电路和第二电压跟随电路，所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的正相输入端均连接至所述第一放大电路的输出端，所述第一电压跟随电路的反相输入端连接至所述第一电压跟随电路的输出端，所述第二电压跟随电路的反相输入端连接至所述第二电压跟随电路的输出端，所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的输出端分别通过一个肖特基二极管连接至所述MBUS总线。
2.根据权利要求1所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述肖特基二极管为SS1肖特基二极管。
3.根据权利要求1所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述第一放大电路包括电阻R4、NPN三极管Q2、电阻R2、NPN三极管Q1、电阻R1以及电阻R3，其中，所述NPN三极管Q2的基极通过电阻R4连接至所述串行接口的信号发送端TXD，所述NPN三极管Q2的集电极经由电阻R2连接至第一电源的输出端，所述NPN三极管Q1的基极连接至所述电阻R2和NPN三极管Q2的集电极之间，所述NPN三极管Q1的集电极通过电阻R3连接至所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的正相输入端，所述NPN三极管Q2和所述NPN三极管Q1的发射极均接地，所述电阻R1的一端连接至所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的正相输入端，所述电阻R1的另一端连接至第二电源的输出端。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述MBUS主节点发送电路还包括瞬间抑制二极管TVS1和热敏电阻SR1，其中，所述热敏电阻SR1的一端连接两个肖特基二极管的阴极，所述热敏电阻SR1的另一端连接至所述MBUS总线，所述瞬间抑制二极管TVS1的一端连接至所述热敏电阻SR1和两个肖特基二极管的阴极之间，所述瞬间抑制二极管TVS1的另一端接地。
5.根据权利要求1-3任一项所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述MBUS主节点电路还包括MBUS主节点接收电路，所述MBUS主节点接收电路包括采样电阻以及两级运放信号放大电路，所述采样电阻与MBUS总线的信号发送端相连，以获取采样信号，所述两级运放信号放大电路包括高增益差分信号放大电路和比较器信号放大电路，所述高增益差分信号放大电路的输入端连接至所述采样电阻的输出端，所述比较器信号放大电路的输入端连接至所述高增益差分信号放大电路的输出端，以将小阻值的采样电阻的采样信号还原为通信编码，所述比较器信号放大电路的输出端连接串行接口的信号接收端RXD。
6.根据权利要求5所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述高增益差分信号放大电路包括放大器N2A、电阻R6、电阻R9、电阻R8、电阻R14电阻R12以及电容C3和电容C4，所述采样电阻的一端连接至MBUS总线的负端子，所述采样电阻的另一端接地，所述放大器N2A的正相输入端通过电阻R12、电容C4连接至所述采样电阻和MBUS总线的负端子之间，所述放大器N2A的反相输入端通过电阻R9、电容C3连接至所述采样电阻和MBUS总线的负端子之间，所述电阻R8的一端连接至所述电阻R9和电容C3之间，所述电阻R8的另一端接地，所述电阻R14的一端连接至所述电阻R12和放大器N2A的正相输入端之间，所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R6的两端分别连接至所述放大器N2A的反相输入端和放大器N2A的输出端之间，所述放大器N2A的输出端连接至所述比较器信号放大电路的输入端。
7.根据权利要求书6所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述比较器信号放大电路包括放大器N2B、电阻R5、电阻R17和电阻R18，所述电阻R5的两端分别连接至所述放大器N2A的输出端和放大器N2B的反相输入端，所述电阻R17的一端接地，所述电阻R17的另一端连接至所述放大器N2B的正相输入端，所述电阻R18的一端接地，电阻R18的另一端连接至第一电源的输出端，所述放大器N2B的输出端连接至所述串行接口的信号接收端RXD。
8.根据权利要求书7所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述MBUS主节点接收电路还包括第二放大电路，所述第二放大电路包括NPN三极管Q3、电阻R10和电阻R7，所述NPN三极管Q3的基极通过电阻R10连接至所述放大器N2B的输出端，所述NPN三极管Q3的集电极通过电阻R7连接至第一电源的输出端，所述NPN三极管Q3的发射极接地，所述串行接口的信号接收端RXD连接至所述NPN三极管Q3的集电极和电阻R7之间。
9.根据权利要求书6所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述MBUS主节点接收电路还包括电阻网络调理电路，所述电阻网络调理电路包括电阻R19、电阻R13和电阻R15，所述电阻R13的两端串联于所述电阻R12和电容C4之间，所述电阻R15的一端连接至所述电阻R12和电阻R13之间，所述电阻R19的一端连接至所述电阻R13和电容C4之间，所述电阻R15和电阻R19的另一端均接地。
10.根据权利要求书9所述的双功率运放并驱的MBUS主节点电路，其特征在于，所述电容C3的容值为2.2uF，或/和，所述电容C4的容值为2.2uF，或/和，所述电阻R8的阻值为10KΩ，或/和，所述电阻R6的阻值为510KΩ，或/和，所述电阻R14的阻值为510KΩ，或/和，所述电阻R9的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R12的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R13的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R15的阻值为2KΩ，或/和，所述电阻R19的阻值为1KΩ，或/和，所述采样电阻的阻值为3Ω。
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