CN117917613A - 一种恒流或恒压输出系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒流或恒压输出系统,系统包括控制模块，输出模块和采集模块，控制模块采用MCU处理器，负责数据分析和处理，输出模块将数据进行数模转换，采集模块将得到的模拟信号放大并转换为数字量数据，经数字隔离器隔离保护后，反馈给MCU处理器，MCU负责比较设定输出值和反馈值的差异，根据差异调整输出值，使得该系统可以始终输出高精度的恒流或恒压。

Description

一种恒流或恒压输出系统

技术领域

本发明涉及一种恒流或恒压输出系统，属于电流电压输出领域。

背景技术

随着科技的发展，如今所用到的仪器仪表对精确度要求越来越高，这就意味着在各个方面要更加稳定，这就需要恒压恒流供电。现有的恒流或恒压输出方式如图1所示，其工作原理为MCU处理器控制并调整光耦原边的输入电流，通过光耦的放大作用，调整副边的输出电流，经过电阻的分流及分压，从而得到想要的输出电流或电压，由于光耦本身的离散性比较大，线性度较差，且受温度环境影响较大，其放大倍数不好控制，导致这种恒流或恒压输出方式，输出电流或电压波动较大，只适用于对电流或电压输出精度要求不高的场合，而对于输出精度有要求的场合，如继电保护领域测控装置的模拟量小信号，要求输出精度误差不超过0.5％甚至有的要求0.2％，此种方法就不再适用了。

发明内容

本发明的目的是提供一种恒流或恒压输出系统，用以解决恒流恒压输出精确度不足的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所提供的方案包括：

本发明的一种恒流或恒压输出系统，该系统包括控制模块，输出模块和采集模块；输出模块包括第一数字隔离器和DAC数模转换器，控制模块通过第一数字隔离器和DAC数模转换器连接，所述DAC数模转换器用于输出电压/电流信号；采集模块包括运算放大电路、ADC模数转换器和第二数字隔离器，所述运算放大电路用于对输出的电压/电流信号进行放大，运算放大电路通过ADC模数转换器连接第二数字隔离器，且第二数字隔离器还与控制模块连接，以将实时采集的电压/电流信号反馈给控制模块；控制模块用于将实时采集的电压/电流信号与设定输出值进行比较，根据比较结果输出控制信号至第一数字隔离器，以使实时采集的电压/电流信号与设定输出值之间的差异在设定范围内。

有益效果为：控制模块将输出的数字量，经第一数字隔离器隔离保护后，传输给DAC数模转换器，DAC数模转换器将控制模块发出的数字量转换为模拟量小信号输出，运算放大电路则采集输出的模拟量，经滤波电路加强后传输给ADC模数转换器，ADC模数转换器将得到的模拟量数据转换为数字量数据，经第二数字隔离器隔离保护后，反馈给控制模块，控制模块则负责比较设定输出值和反馈值的差异，若反馈值低于设定输出值，则控制模块需调整抬高输出值，反之，控制模块则需降低输出值，通过增加采集模块对输出值实时的采集和反馈，并且由控制模块进行比较和处理，使得该系统可以始终输出高精度的恒流或恒压。

进一步地，运算放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器；第一运算放大器的同向输入端连接DAC数模转换器的输出端，反向输入端连接自身输出端，其输出端连接第二运算放大器的同向输入端；第二运算放大器的反向输入端连接自身输出端，其输出端连接ADC转换器的输入端。

有益效果为：运算放大电路将DAC数模转换器转换的电压或电流小信号放大。

进一步地，运算放大电路还包括保护电路，DAC数模转换器的输出端通过保护电路连接第一运算放大器的同向输入端，保护电路包括第一安规电容、第二安规电容和瞬态抑制二极管，第一安规电容与第二安规电容串联与瞬态抑制二极管并联，并联后一端连接DAC数模转换器的输出端，另一端接地。

有益效果为：安规电容和瞬态抑制二极管作为保护器件，用于保护系统中重要元器件免受浪涌等冲击破坏。

进一步地，运算放大电路还包括第一滤波电路，第一滤波电路为RLC滤波电路，RLC滤波电路设置在DAC数模转换器和第一运算放大器之间，用于滤除干扰信号。

有益效果为：在DAC数模转换器和第一运算放大器之间设置滤波电路，用于滤除干扰信号，提高采集信号的质量和精度。

进一步地，运算放大电路还包括第二滤波电路，第二滤波电路为RC滤波电路，第二运算放大器通过第二滤波电路连接ADC模数转换模块的输入端，用于滤除干扰信号。

有益效果：第二运算放大器的输出端增加RC滤波电路可以有效滤除干扰信号，提高采集信号的质量和精度。

进一步地，运算放大电路还包括选择支路，选择支路两端分别与DAC数模转换器的输出端和地端连接，选择支路上串设有跳针和限流电阻，跳针用于当所述DAC数模转换器输出为电流小信号时，跳针调节对应档位，使所述限流电阻接入至系统中，当DAC数模转换器输出为电压小信号时，则跳针调节对应档位，使所述限流电阻不接入至系统中。

有益效果为：选择支路上串设跳针和限流电阻，当DAC数模转换模块转换的是电流小信号时，跳针调节对应档位，使限流电阻接入至系统中；当转换的是电压小信号时，跳针调节对应档位，限流电阻不接入至系统中；使得信号进入第一运算放大器之前，第一运算放大器采集到的都是电压信号。

进一步地，采集模块还包括采集反馈模块，采集反馈模块包括光耦，光耦原边一端连接电源，另一端连接ADC模数转换器的数据转换标志端；光耦副边一端接地，另一端连接控制模块的输入端。

有益效果为：采集模块增设采集反馈模块，在每次数据转换结束时，光耦原边的数据转换标志端变为低电平，光耦导通，使得控制模块停止数据接收，并进行数据的快速比较和处理。

进一步地，控制模块的总线时钟信号端口和总线数据输出端口均通过端接电阻与第一数字隔离器的相应输入端连接。

有益效果为：通过增设端接电阻，起到阻抗匹配的作用。

附图说明

图1是现有技术的系统原理图；

图2是本发明的恒流或恒压输出系统图；

图3是本发明的恒流或恒压输出系统流程框图；

图4-1是本发明的系统原理的输出模块；

图4-2是本发明的运算放大电路模块；

图4-3是本发明的系统原理的采集模块；

图5-1是采集模块更改设计图的ADC转换部分；

图5-2是采集模块更改设计图的采集反馈模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

恒流或恒压输出系统的实施例：

如图2所示，恒流或恒压输出系统包括控制模块，输出模块和采集模块。控制模块，即MCU处理器，负责数据的分析和处理，并控制整个系统的有效运行，是系统的核心元器件；输出模块包括第一数字隔离器U2和DAC数模转换器，数字隔离器是为了降低接地环路的噪声，起到隔离保护的作用，DAC数模转换器是将数字量转换为模拟量输出，起数模转换的功能；采集模块主要包括运算放大电路，ADC模数转换器和第二数字隔离器U5，运算放大电路配合相应的电阻电容，起到滤波，抑制信号干扰，加强有效信号传输的作用，ADC模数转换器是将模拟量转换为数字量，起模数转换的功能，数字隔离器起隔离保护的作用。

如图3所示，恒流或恒压输出系统工作流程为：控制模块将输出的数字量，经第一数字隔离器U2隔离保护后，传输给DAC数模转换器，DAC数模转换器将控制模块发出的数字量转换为模拟量小信号输出，运算放大电路则采集输出的模拟量，经滤波电路加强后传输给ADC模数转换器，ADC模数转换器将得到的模拟量数据转换为数字量数据，经第二数字隔离器U5隔离保护后，反馈给控制模块，控制模块则负责比较设定输出值和反馈值的差异，若反馈值低于设定输出值，则控制模块需调整抬高输出值，反之，控制模块则需降低输出值，通过增加采集模块对输出值实时的采集和反馈，并且由控制模块进行比较和处理，使得该系统可以始终输出高精度的恒流或恒压。

恒流或恒压输出系统工作原理如图4-1、4-2和4-3所示，MCU处理器通过SPI通讯协议将所需输出的锁存器信号DAC_LATCH、时钟信号DAC_SPI_CLK、数据收发DAC_SPI_MOSI/DAC_SPI_MISO等数字量，传输给第一数字隔离器U2，经第一数字隔离器U2隔离保护后，进入到DAC数模转换器U1，DAC数模转换器U1将MCU发出的数字量转换为模拟量小信号AOUT输出。串联在输出模块中的R4，R5，R6为端接电阻，用于实现阻抗匹配的。R3和R7为下拉电阻，DAC_LATCH信号作用于DAC数模转换器U1的LATCH管脚，此管脚为正边沿敏感锁存，LATCH上升沿将输入移位寄存器数据并行载入到DAC寄存器，同时更新输出，控制数据的锁存和输出。DAC_EN信号作用于第一数字隔离器U2的左侧通道使能管脚，此信号为高时，U2左侧通道有效输出，DVCC模拟电源连接至第一数字隔离器U2的右侧通道使能管脚，右侧通道始终高有效输出。

第一运算放大器和第二运算放大器则采集输出的模拟量小信号AOUT，经滤波信号加强后传输给ADC模数转换器U4，输出信号AOUT在进入第一运算放大器U3A之前，会先经过一些保护电路和滤波电路。第一安规电容CT1、第二安规电容CT2和瞬态抑制二极管TVS1作为保护器件，用于保护系统中重要元器件免受浪涌等冲击破坏，第一滤波电路的磁珠F1、F2和滤波电阻R9、滤波电容C4作为滤波器件，滤除干扰信号，提高采集信号的质量和精度。三选二跳针JP1的跳针位置取决于所采集的模拟量小信号AOUT是电流小信号还是电压小信号，若AOUT是电流小信号，则JP1跳针档位连接1和2，使限流电阻R10串联进电路中，若AOUT是电压小信号，则JP1跳针档位连接2和3，限流电阻R10不参与到电路中，这样无论AOUT是电流小信号还是电压小信号，进入第一运算放大器U3A之前，U3A采集到的都是电压信号，再经过第二滤波电路，包括电阻R8和电容C2,传输给ADC模数转换器U4。电容C1和C3为第一运算放大器U3A电源管脚的去耦电容。

ADC模数转换器U4将得到的模拟量数据AIN转换为数字量数据，经第二数字隔离器U5隔离保护后，通过SPI通讯协议将ADC_SPI_MISO反馈给MCU处理器。片选信号ADC_CS，时钟信号ADC_SPI_CLK、数据收发ADC_SPI_MOSI/ADC_SPI_MISO等数字量为采集模块的数字量，用于ADC模数转换器U4的片选信号ADC_CS为低电平有效，电阻R11为上拉电阻。串联在采集模块中的R12，R13，R14为端接电阻，用于实现阻抗匹配的。数字隔离器U5左右两侧通道使能管脚接高电平，均可正常输出。

最终MCU则比较输出模块的输出值和采集模块的反馈值，根据两者之间的差异做出调整和处理，若反馈值低于设定输出值，则MCU需调整抬高输出值，反之，MCU则需降低输出值，通过增加采集模块对实际输出值实时的采集和反馈，并且由MCU进行比较和处理，使得该系统可以始终输出高精度的恒流或恒压。

本系统原理框图中省略了关键元器件的供电电平。

此外，如图5-1和5-2所示，采集模块部分还能更改设计，将采集到的数据以IIC通讯协议的方式反馈给MCU处理器，采集模块设有采集反馈模块，采集反馈模块设有光耦OP2，光耦OP2原边一端连接电源，另一端连接ADC模数转换器的数据转换标志端；光耦OP2副边一端接地，另一端连接控制模块的输入端。

运算放大电路采集的模拟量AIN由ADC模数转换器U7转换为数字量数据，经数字隔离器U6隔离保护后，以IIC通讯协议的方式反馈给MCU处理器进行比较和处理。U7的ALERT/RDY管脚可以进行配置，在每次数据转换结束时该管脚变为低电平，光耦OP2导通，进入MCU的MCU_RDY则置位低电平，随后MCU对采集到的数据进行比较和处理。

Claims (8)

1.一种恒流或恒压输出系统，其特征在于，该系统包括控制模块，输出模块和采集模块；输出模块包括第一数字隔离器和DAC数模转换器，控制模块通过第一数字隔离器和DAC数模转换器连接，所述DAC数模转换器用于输出电压/电流信号；采集模块包括运算放大电路、ADC模数转换器和第二数字隔离器，所述运算放大电路用于对输出的电压/电流信号进行放大，运算放大电路通过ADC模数转换器连接第二数字隔离器，且第二数字隔离器还与控制模块连接，以将实时采集的电压/电流信号反馈给控制模块；控制模块用于将实时采集的电压/电流信号与设定输出值进行比较，根据比较结果输出控制信号至第一数字隔离器，以使实时采集的电压/电流信号与设定输出值之间的差异在设定范围内。

2.根据权利要求1所述的恒流或恒压输出系统，其特征在于，所述运算放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器；第一运算放大器的同向输入端连接DAC数模转换器的输出端，反向输入端连接自身输出端，其输出端连接第二运算放大器的同向输入端；第二运算放大器的反向输入端连接自身输出端，其输出端连接ADC转换器的输入端。

3.根据权利要求2所述的恒流或恒压输出系统，其特征在于，所述运算放大电路还包括保护电路，DAC数模转换器的输出端通过保护电路连接第一运算放大器的同向输入端，保护电路包括第一安规电容、第二安规电容和瞬态抑制二极管，第一安规电容与第二安规电容串联与瞬态抑制二极管并联，并联后一端连接DAC数模转换器的输出端，另一端接地。

4.根据权利要求3所述的恒流或恒压输出系统，其特征在于，所述运算放大电路还包括第一滤波电路，所述第一滤波电路为RLC滤波电路，所述RLC滤波电路设置在DAC数模转换器和第一运算放大器之间，用于滤除干扰信号。

5.根据权利要求3所述的恒流或恒压输出系统，其特征在于，所述运算放大电路还包括第二滤波电路，所述第二滤波电路为RC滤波电路，第二运算放大器通过第二滤波电路连接ADC模数转换模块的输入端，用于滤除干扰信号。

6.根据权利要求1所述的恒流或恒压输出系统，其特征在于，所述运算放大电路还包括选择支路，选择支路两端分别与DAC数模转换器的输出端和地端连接，所述选择支路上串设有跳针和限流电阻，所述跳针用于当所述DAC数模转换器输出为电流小信号时，调节对应档位使所述限流电阻接入至系统中，当所述DAC数模转换器输出为电压小信号时，调节对应档位使所述限流电阻不接入至系统中。

7.根据权利要求1所述的恒流或恒压输出系统，其特征在于，所述采集模块还包括采集反馈模块，所述采集反馈模块包括光耦，光耦原边一端连接电源，另一端连接ADC模数转换器的数据转换标志端；光耦副边一端接地，另一端连接控制模块的输入端。

8.根据权利要求1所述的恒流或恒压输出系统，其特征在于，所述控制模块的总线时钟信号端口和总线数据输出端口均通过端接电阻与第一数字隔离器的相应输入端连接。