CN202710718U - 基于pwm的环流传输点测量参数输出装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于PWM的环流传输点测量参数输出装置，其包括PWM信号发生器，用于产生PWM信号；PWM信号整形隔离电路，用于对PWM信号发生器产生的PWM信号进行隔离整形；低通滤波器，用于滤掉经整形的PWM信号的直流分量，驱动放大电路，用于将经滤波的PWM信号放大为具有预设范围的标准信号，以及基准电压发生电路，用于为PWM信号整形隔离电路提供稳定的基准电压。本实用新型在对PWM波形组成进行理论分析的基础上，提出了可以通过一个低通滤波器把PWM中的DAC调制信号解调出来，实现对环流传输点测量参数的输出。

Description

基于PWM的环流传输点测量参数输出装置

技术领域

本实用新型涉及环流传输点测量参数的生成方法和装置。

背景技术

环流传输电测量参数，尤其是4～20mA环流传输电测量参数在电力监控系统中还是有一定的应用，其具有长距离传输可靠，抗干扰强等优势，通常传统的用电量变送器将现场电测量信号变换为4～20mA，传送给PLC（可编程逻辑）或DCS（分散控制系统）系统，实现远程监控；随着微机技术的发展，单片机和DAC(数模转换器)是经常需要同时使用的,然而许多单片机内部并没有集成DAC,即使有些单片机内部集成了DAC（数模转换器）,DAC的精度也往往不高,在高精度的应用中还是需要外接DAC,这样增加了成本。但是,几乎所有的单片机都提供定时器或者PWM（脉宽调制）输出功能。如果能应用单片机的PWM输出(或者通过定时器和软件一起来实现PWM输出),经过简单的变换电路就可以实现DAC,这将大量降低成本电子设备的成本、减少体积,并容易提高精度。

尤其是，诸如STM32系列等ARM具有多路独立16Bit的PWM输出，且还具有强大的外设功能和运算能力，为4～20mA输出方案提供了硬件基础。因此，现有技术中存在这样的一种需求，即实现基于PWM输出的环流传输点测量参数的输出电路，尤其是4～20mA电流、0至20m电流，以及0至5V电压的输出电路。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于解决上述问题，提供一种基于PWM输出的环流传输点测量参数的输出电路，从而充分利用现有的ARM资源，避免使用额外的DAC，从而节省降低产品成本以及片上面积。

为实现上述目的本实用新型提供的基于PWM输出的环流传输点测量参数的输出装置包括PWM信号发生器，用于产生PWM信号；PWM信号整形隔离电路，用于对PWM信号发生器产生的信号进行隔离整形；低通滤波器，用于滤掉经整形的信号的直流分量，驱动放大电路，用于将经滤波的信号放大为具有预设范围的标准信号，以及，基准电压发生电路，用于为PWM信号整形隔离电路提供稳定的基准电压。

优选的是，在输出部分的输出端口有大电流或浪涌时从而保护放大电路中的运放器件，使其免遭破坏。

具体而言，所述预设范围的标准信号包括4至20mA的电流信号，或0至5V的电压信号。

本实用新型在对PWM波形组成进行理论分析的基础上，提出了可以通过一个低通滤波器把PWM中的DAC调制信号解调出来，实现对环流传输点测量参数的输出，尤其是4～20mA输出。本实用新型设计的4～20mA电路实现方式，可以适合于各种显示仪表上，实现4～20mA模拟输出数字化，为降低成本和模块化生产创造条件。

附图说明

图1的PWM波形示意图；

图2为整形隔离电路的一种实现的示意图；

图3为滤波电路、放大电路以及保护电路的一种实现的示意图；

图4为基准电压发生电路的一种实现的示意图。

图5为依据本实用新型的基于PWM的环流传输点测量参数输出装置的一种实施例的原理框图。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型的可能的具体实施方式做详细说明。

PWM是一种周期固定不变，而高低电平的占空比可以调制的方波信号,如果PWM信号的占空比随时间变化，那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号，因此通过控制PWM信号的占空比就可以产生不同的模拟4～20mA输出信号，这样将4～20mA输出信号对应到电测量参数，如电流，电压，频率，功率，或功率因素等电参数，输入信号和输出的4～20mA信号成线性关系变化，通过4～20mA输出信号很容易的测量参数上传给计算机中心，实现远程测量和控制。

在诸如ARM（STM32F103RC）中内置了PWM信号发生器，即脉冲宽度调制信号发生器，1个TIM可以产生四路独立的PWM信号，采用TIM1_ARR寄存器确定脉冲宽度调制PWM信号频率、由TIM1_CCRx寄存器确定PWM信号的占空比，占空比变化，经过整形滤波放大的4～20mA输出信号也会成线性变化，进而实现数模DAC转换。

图1是一种在电路中经常遇到的PWM信号波形。该PWM的高低电平分别为VH和VL,理想的情况VL等于0,VH等于ARM的工作电压VCC，但是实际中一般VL不等于0,VH也不等于VCC，这往往是应用中产生误差的一个主要原因，在电路设计中要充分考虑VL和VH的稳定性，从而要引入基准电压源，充分考虑VL和VH不要受环境温度变化而改变，这是保证输出精度的一个关键参数。

在TIM1_CCMRx寄存器中的OCxM位写入“110＂(PWM模式1)或“111′

（PWM模式2），能够独立地设置每个通道工作在PWM模式，每个0Cx输出一路

PWM必须通过设置TIM1_CCMRx寄存器OCxPE位使能相应的预装载寄存器，最后还要设置TIM1_CR1寄存器的ARPE位使能自动重装载的预装载寄存器，用TIM1_ARR产生1000Hz的脉冲调制频率，TIM1_CCR0最小改变良为1，最大65536范围内变化；

图1的PWM波形可以用分段函数表示为式(1)：

$f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{V}_H& \mathrm{kNT}\≤t\≤\mathrm{nT}+\mathrm{kNT}\\ V_L& \mathrm{kNT}+\mathrm{nT}\≤t\≤\mathrm{NT}+\mathrm{kNT}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：T是STM32F103RC中计数脉冲的基本周期,即ARM每隔T时间记一次数(计数器的值增加或者减少1),N是PWM波一个周期的计数脉冲个数,n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲个数,VH和VL分别是PWM波中高低电平的电压值,k为谐波次数,t为时间。把式(1)所表示的函数展开成傅里叶级数[1],得到式(2)：

$\begin{array}{c}f\left(t\right)=[\frac{n}{H}(V_H-V_L)+V_L]+\\ 2\frac{V_H-V_L}{\mathrm{\π}}\sin \left(\frac{n}{N}\mathrm{\π}\right)\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{NT}}t-\frac{\mathrm{n\π}}{N}k)+\\ \underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}2\frac{V_H-V_L}{\mathrm{k\π}}\left|\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{N}k\right)\right|\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{NT}}\mathrm{kt}-\frac{\mathrm{n\π}}{N}k)\end{array}---\left(2\right)$

从式(2)可以看出,式中第1个方括弧为直流分量,第2项为1次谐波分量,第3项为大于1次的高次谐波分量。式(2)中的直流分量与n成线性关系,并随着n从0到N,直流分量从VL到VL+VH之间变化,这正是电压输出的DAC所需要的。因此,如果能把式(2)中除直流分量的谐波过滤掉,则可以得到从PWM波到电压输出DAC的转换,即：PWM波可以通过一个低通滤波器进行解调。

式(2)中的第2项的幅度和相角与n有关,频率为1/(NT),该频率是设计低通滤波器的依据。如果能把1次谐波很好过滤掉,则高次谐波就应该基本不存在了。

根据上述分析可以得到如图2所示的从PWM到4～20mA输出的信号处理步骤分为STM32F103RC脉冲信号产生，隔离整形，低通滤波，功率放大，基准电压源发生器等，实现上述方法,在STM32F103RC的应用中还可以通过软件的方法进行校准，调零和调满，实现4～20mA输出自动调校生产检验，是传统的电量变送器无法比拟的，极大提高了其生产效率。

PWM在4～20mA的应用中,分辨率是一个很重要的参数,图1的分辨率计算直接与PWM周期和一个周期的高电平时长变化有关；

基于TIM1_CCRx PWM的DAC分辨率就等于计数器的长度，通常是CCR0寄存器的值。PWM DAC的最低有效位是一个计数值，分辨率是总的计数值。

Rcounts=Lcounts

其中Rcounts是以计数值为单位的分辨率，Lcounts是计数器的总计数值。例如对8bitDAC，计数器的长度为8bits，或者256个计数值。那么分辨率也就是8bits，或者256。

更一般的情况下，基于PWM定时器和滤波器的PWM DAC的分辨率等于产生模拟信号的PWM信号的分辨率。PWM信号的分辨率决定于计数器的长度和PWM计数器能够实现的最小占空比。用数学表达式如下：

其中L=Lcounts，C是最小占空比。

比特分辨率用下式计算：

$R_{\mathrm{bits}}={\log }_2\left(R_{\mathrm{counts}}\right)={\log }_2\left(\frac{L}{C}\right)=\frac{\ln \left(R_{\mathrm{counts}}\right)}{\ln 2}=\frac{\ln (L/C)}{\ln 2}---\left(3\right)$

如果PWM计数器的长度为512个计数值，最小的占空比为2个计数值，那么PWMDAC的分辨率就为：

或者以比特表示：R_bits＝log₂(256)＝8bits.。

表1给出了不同L和C的情况下的分辨率。

表1:DAC的分辨率与PWM参数L和C的关系

PWM参数L	PWM参数最小变化量C	DAC分辨率/位
			256	1	8
1024	1	10
			4096	1	12
16348	1	14
			65536	1	16

从表1和式(3)可以看出,L越大DAC的分辨率越高,但是LT也越大,即PWM的周期或者式(2)中的1次谐波周期也越大,相当于1次谐波的频率也越低,需要截止频率很低的低通滤波器,DAC输出的滞后也将增加。

一种解决方法就是使T减少,即减少ARM的计数脉冲宽度(这往往需要提高ARM的工作频率),达到不降低1次谐波频率的前提下提高精度。在实际中,T的减少受到ARM时钟和PWM后续电路开关特性的限制。如果在实际中需要微秒级的T,则后续电路需要选择开关特性较好的器件,以减少PWM波形的失真,如图2中的电子开关U2(PI5A124)是单电源工作，高精度的模拟开关器件，适用于低失真音频信号。

PWM到4～20mA电流输出的电路实现可以为：

PWM实现4～20mA模拟量输出的电路主要包括：PWM信号发生器1用于产生PWM信号，PWM信号整形隔离电路2用于对PWM信号发生器1产生的信号进行隔离整形，低通滤波器3用于滤掉经整形的信号的直流分量，驱动放大电路4用于将经滤波的信号放大至4～20mA的标准信号，基准电压发生电路5用于为PWM信号整形隔离电路2提供稳定的基准电压。

在优选的实施例中，放大电路还可以包括输出保护电路6用于在输出部分的输出端口有大电流或浪涌时从而保护放大电路中的运放器件，使其免遭破坏。

工业现场应用4～20mA通常和输入信号是隔离的，PWM脉宽调制信号通过光耦非常容易实现隔离；

如图5所示为本实用新型的一种可选的实施方式，其表示了各部分的连接原理，其中PWM信号发生器1用于产生PWM信号；PWM信号整形隔离电路2用于对PWM信号发生器产生的PWM信号进行隔离整形；低通滤波器3用于滤掉经整形的PWM信号的直流分量，驱动放大电路4用于将经滤波的PWM信号放大为具有预设范围的标准信号，以及基准电压发生电路5用于为PWM信号整形隔离电路提供稳定的基准电压。

PWM信号发生器1可以采用STM32F103RC自带的PWM发生电路，这样可以充分利用ARM的资源。PWM信号整形隔离电路2可以为基于光耦U2和模拟开关U3的电路，如图2，PWM波直接从STM32F103RC的PWM引脚输出，产生的PWM信号经Q1驱动光耦U2（PS9114），由U2的4脚,即V0脚输出，经模拟开关U3整形，从U3的5脚，即COM脚输出PWM1，即整形过的方波PWM信号。波形如图1所示，这里U3作用产生VL和VH恒定不变的高低电平，VAN是5VDC恒定不变的基准电压源，其由图4基准电压发生电路5是基准电压芯片TL431I产生，该电压的稳定程度直接影响模拟输出的精度和热稳定性。使图1中VL趋于0V，VH趋于5V，不随环境温度，频率等条件而改变，有效保证4～20mA输出的精度。

低通滤波器3的设计如图3所示，采用了结构简单的RC滤波器，之所以采用这种结构一是因为RC滤波器结构简单，二是为了实现低功耗，尽量避免采用有源器件用于交流信号的滤波器是一个双极点级联RC滤波器，如果滤波器阶数过高，可以采用提高的抽样频率的办法来降低滤波器阶数。

滤波器的截至频率fc由下式来计算：

其中RC=R4C3=R5C4，当R5=R4时滤波器的响应较好。但是如果截至频率很接近信号带宽边沿，将会导致相当大的衰减。因此为了减小滤波器的衰减，截至频率应该大于信号带宽边沿，但是要远小于PWM信号的频率。用于产生直流电平的滤波器仅仅是用来储存电荷的，而不像交流信号滤波器那样用来滤波。因此采用了一个简单的二极RC滤波器，其响应时间在几个毫秒，加上PWM的运算和采样时间，通过PWM的电路产生4～20mA信号，综合响应小于300mS。

U1-A输出平稳的直流信号，经R6和R7分压，在B点产生0～1.2VDC电压范围可调电压，这样一来由软件控制PWM信号的占空比很容易在B点获得0.2～1V电压，那么在R8上得到4～20mA的恒流信号，在通过Q2(2SB1132)功率放大可以输出驱动能力大于500欧，4～20mA标准信号。

图3的电路PTC电阻R11，瞬变管D16，R10起输出保护作用,当输出端口有大电流或浪涌冲击时，R11的阻值变为无穷大，从而保护运放，功放管免遭破坏。

本实用新型在对PWM波形组成进行理论分析的基础上，提出了可以通过一个低通滤波器把PWM中的DAC调制信号解调出来，实现4～20mA输出。对实现4～20mA产生的误差的原因进行了分析，设计了4～20mA电路实现方式，可以适合于各种显示仪表上，实现4～20mA模拟输出数字化，为降低成本和模块化生产创造条件。

Claims (5)

1.基于PWM的环流传输点测量参数输出装置，其特征在于：包括：

PWM信号发生器，用于产生PWM信号；

PWM信号整形隔离电路，用于对PWM信号发生器产生的PWM信号进行隔离整形；

低通滤波器，用于滤掉经整形的PWM信号的直流分量，

驱动放大电路，用于将经滤波的PWM信号放大为具有预设范围的标准信号，以及

基准电压发生电路，用于为PWM信号整形隔离电路提供稳定的基准电压。

2.根据权利要求1所述的基于PWM的环流传输点测量参数输出装置，其特征在于：在驱动放大电路的输出部分的输出端口有大电流或浪涌时从而保护放大电路中的运放器件的保护电路。

3.根据权利要求1所述的基于PWM的环流传输点测量参数输出装置，其特征在于：所述预设范围的标准信号包括4至20mA的电流信号，或0至5V的电压信号。

4.根据权利要求1所述的基于PWM的环流传输点测量参数输出装置，其特征在于：所述PWM信号发生器是实现在一ARM上的。

4、根据权利要求4所述的基于PWM的环流传输点测量参数输出装置，其特征在于：PWM信号整形隔离电路可以为基于光耦U2和模拟开关U3的电路，其中，PWM波直接从该ARM的PWM引脚输出，产生的PWM信号经Q1驱动光耦U2，由U2的V0脚输出，经模拟开关U3整形，从U3的COM脚输出整形过的方波PWM信号。

5.根据权利要求1所述的基于PWM的环流传输点测量参数输出装置，其特征在于：低通滤波器采用RC滤波器，其中滤波器的截至频率大于信号带宽边沿，但是远小于PWM信号的频率。

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