CN203377894U

CN203377894U - 一种信号变送器模块

Info

Publication number: CN203377894U
Application number: CN201320394347.XU
Authority: CN
Inventors: 柳长庆; 柳永诠; 郑学凯; 崔彦身
Original assignee: LIAONING JULONG FINANCIAL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: Julong Co Ltd
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2023-07-03

Abstract

本实用新型涉及一种信号变送器模块，包括：电源电路分别与电流信号采集及处理电路、电压信号输出电路和A/D转换处理电路连接；电流信号采集及处理电路与电压信号输出电路、A/D转换处理电路和通讯电路顺序连接。本实用新型采样精度较高，所用器件均为高精度、低失调且温漂系数小于50ppm，精度可达0.5%以上，可满足某些高精密场合的使用需求；抗干扰能力强，设计级别为工业级，可在-40～+85℃环境下稳定工作；装配、制作简单，便于产业化。大部分器件为表面贴装器件，可以使用设备进行焊接；成本相对低廉，通讯方式简单、可靠。

Description

一种信号变送器模块

技术领域

本实用新型涉及一种工业用信号变送模块，具体地说是一种将输入4～20mA的电流信号转换为0～5V电压信号输出的变送模块。

背景技术

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的处理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。在工业控制上，4～20mA的电流通常用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度。但往往传感器输出的这种电流信号必须转为电压信号，才能被控制系统（单片机、PLC等）所识别，而这种电路称之为信号变送电路。常见的电路由于零点电压抵消处理不好以及温漂、噪声等干扰，信号的处理精度大幅下降。

实用新型内容

为实现工业现场信号的高精度处理，本实用新型的目的在于提供一种简单的、精度相对较高的和成本较为低廉的信号变送模块。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种信号变送器模块，电源电路分别与电流信号采集及处理电路、电压信号输出电路和A/D转换处理电路连接；电流信号采集及处理电路与电压信号输出电路、A/D转换处理电路、通讯电路顺序连接。

所述电源电路包括顺序连接的负电源电路、正电源电路和参考电压基准电路；外部电源与正电源电路输入端连接；正电源电路负电压输出端与负电源电路的电源端连接，正电源电路正电压输出端与参考电压基准电路和电压信号输出电路的电源端连接。

所述正电源电路采用DC/DC转换芯片，芯片的正负输入端与外部电源连接，该正负输入端之间并联电容，负输入端接地；芯片正输出端与电压信号输出电路、参考电压基准电路连接；芯片正输出端与接地端之间并联有多个电容；芯片负输出端与负电源电路连接。

所述负电源电路采用电源芯片，该芯片输入端与正电源电路的负电压输出端连接；该芯片两个输出端连接后通过串联电阻接地。

所述参考电压基准电路采用基准源，基准源输入端与正电源电路的正电压输出端连接；基准源输入端与接地端之间连有电容；基准源输出端与地之间连有电容。

所述电流信号采集及处理电路包括取样电路和零点电压抵消电路；外部输入信号接入取样电路输入端，取样电路的电压钳制输出端与零点电压抵消电路的电压钳制输入端连接，取样电路的放大输出端与电压输出电路的放大输入端连接。

所述取样电路的信号输入端串联电阻后与电压输出电路连接，还通过电容接地，该信号输入端串联电阻后的电压钳制输出端与零点电压抵消电路连接；其信号放大输出端通过并联的电容和二极管接地。

所述零点电压抵消电路采用三极管和自稳零放大器；三极管的发射极与取样电路电压钳制输出端连接，还通过电阻与自稳零放大器的反向输入端连接，三极管的集电极通过电阻连接负电压，三极管的基极与自稳零放大器输出端连接；自稳零放大器的正向输入端通过串联两个电阻接负电压，两个电阻之间的结点还通过电阻接地。

所述电压信号输出电路采用放大器，放大器的正向输入端与取样电路的信号放大输出端连接，还通过二极管与正电源电路连接；放大器反向输入端通过电阻和电容的并联电路与放大器输出端连接；放大器输出端通过电阻与A/D转换处理电路连接。

所述A/D转换处理电路采用单片机，单片机的一个I/0端与电压信号输出电路连接，另一I/0端与参考电压基准电路的基准源输出端连接；单片机的电源端与正电源电路的正电压输出端连接。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1）本实用新型采样精度较高，所用器件均为高精度、低失调且温漂系数小于50ppm，精度可达0.5%以上，可满足某些高精密场合的使用需求。

2）抗干扰能力强，设计级别为工业级，可在-40～+85℃环境下稳定工作。

3）装配、制作简单，便于产业化。大部分器件为表面贴装器件，可以使用设备进行焊接。

4）成本相对低廉，通讯方式简单、可靠。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为正电源电路图；

图3为负电源电路图；

图4为参考电压基准电路图；

图5为取样电路图；

图6为零点电压抵消电路图；

图7为电压输出电路图；

图8为A/D转换处理电路图；

图9为RS232通讯电路图；

图10为RS485通讯电路图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的信号变送模块，包括电源电路；电流信号采集及处理电路；电压信号输出电路；A/D转换处理电路和通讯电路；其中：

电源电路包括：正电源电路（图2）、负电源电路（图3）、参考电压基准电路（图4）；

如图2所示，正电源电路采用DC/DC变换模块，宽电压输入DC18～36V，电压精度DC5V±1%。电路由插座P7，电容C20、C26、C24、C25、C28、C29，变换模块U13组成。电源电压由P7输入，电容C20、C26并联到U13的1、2脚，1脚连接电源正极，2脚连接电源负极。电容C24、C25、C28、C29并联在U13的4、5脚，4脚为公共端GND，5脚为正电源输出VCC即DC5V，3脚为负电源输出-VCC即DC-5V。

如图3所示，负电源电路采用精度为0.5%的可调节精密并联稳压器TL431B（DIP-8）进行稳压，电压精度为-2.5V±0.5%；电路由并联稳压器U2，电阻R8组成。U2的6脚连接负电源-VCC，1、8脚连接后与电阻R8的一端连接，并输出-2.5V电压，R8的另一端连接GND。

如图4所示，参考电压基准电路采用高精度基准源MAX872(SO-8)，获得DC2.5V基准电压，作为单片机进行A/D转换运算的基准源电压。电路由基准源U14，电容C21、C27组成。电容C27并联在U14的2、4脚，其中2脚连接VCC，4脚连接GND；U14的6脚连接电容C21的正极，并输出+2.5V电压，C21的负极连接GND，+2.5V作为参考电压。

电流信号采集及处理电路包括：取样电路（图5）、零点电压抵消电路（图6）；

如图5所示，取样电路采用精度为0.1%，E96型金属膜电阻作为取样电阻，其温漂系数小于50ppm；电路由电容C10、C11，电阻R46、R47，二极管D7组成。其中C10、R46、R47三器件的一端连接在一起，输入信号从该点进入；电容C10的另一端连接到GND；电阻R46与图6的balance节点（电压钳制端）连接；D7与C11并联后，正极端连接GND，另一端与与R47的一端连接，该节点与图7的amplify节点（放大端）连接。

如图6所示，零点电压抵消电路采用TLC4502C(SO-8)自稳零放大器，将输入电压钳制在-0.1V，这样当输入4mA信号时，电阻R46的阻值设置为25Ω，便可抵消-0.1V，使输出电压从零开始。电路由电阻R48、R49、R50、R51、R52，三极管Q4，放大器U12的A部分组成。Q4的发射极与R48一端连接组成balance节点（电压钳制端），R48的另一端连接U12的2脚，Q4的集电极与R49的一端连接，R49的另一端连接-2.5V电压，Q4的基极与U12的1脚连接；U12的4脚连接-2.5V电压，8脚连接VCC，U12的3脚与R50的一端连接，R50的另一端与R51、R52连接，R51的另一端连接GND，R52的另一端连接-2.5V。

电压信号输出电路（图7）将抵消后的输入信号进行放大输出。电路由二极管D8，电容C12，电阻R56、R57，放大器U12的B部分组成。D8的负极连接VCC，正极连接U12的5脚，组成amplify节点（放大端），经过抵消后的信号由该点进入，经过U12放大；C12与R56并联在U12的6、7脚，R57的一端与U12的第7脚连接，另一端输出电压模拟信号，送入A/D转换处理电路。

A/D转换处理电路（图8）采用STC12C5A60S2（QFP48-S）单片机进行高速A/D转换，可取10位A/D结果进行运算，可确保采样信号0.5%的高精度要求。转换频率可达250KHz；电路由单片机U0，电容C30、CA1、CA2，电阻R61，晶振ZA1组成。U0的41脚连接VCC，17脚连接GND，5脚连接复位电阻R61；ZA1、CA1、CA2，连接到U0的15、16脚组成时钟电路；电压模拟信号经C30滤波后连接到U0的4脚，进行A/D转换。

通讯电路包括：RS232串口通讯（图9）及RS485串口通讯（图10）2种模式，用户可根据需要选择通讯电路和通讯方式。它用于将处理过的信号以HEX码形式发送给用户。

RS232串口通讯电路由驱动器U9，电容C12、C13、C14、C15、C16，插座P19组成。U9的15脚连接GND，16脚连接VCC；C12为滤波电容分别连接在GND与VCC端；C13并连在U9的4、5脚；C16并连在U9的1、3脚；C14的一端连接U9的6脚，另一端连接GND，C15的一端连接U9的2脚，另一端连接GND；通讯的发信号连接到U9的9脚，通讯的收信号连接到U9的10脚；P19的2脚与U9的7脚连接，P19的3脚与U9的8脚连接，P19的5脚连接GND。

RS485串口通讯电路由驱动器U16，电阻R67、R68、R69，插座P2组成。电阻R67、R68、R69串联接在VCC与GND之间，R67与R68节点处连接U16的7脚及P2的1脚，R68与R69节点处连接U16的6脚及P2的2脚，U16的8脚连接VCC，5脚与P2的3脚连接GND，1脚与单片机U0的6脚连接，4脚与单片机U0的8脚连接，2、3脚并联后与单片机U0的19脚连接。

Claims

1.一种信号变送器模块，其特征在于：电源电路（1）分别与电流信号采集及处理电路（2）、电压信号输出电路（3）和A/D转换处理电路（4）连接；电流信号采集及处理电路（2）与电压信号输出电路（3）、A/D转换处理电路（4）、通讯电路（5）顺序连接；所述电源电路（1）包括顺序连接的负电源电路（7）、正电源电路（6）和参考电压基准电路（8）；外部电源与正电源电路（6）输入端连接；正电源电路（6）负电压输出端与负电源电路（7）的电源端连接，正电源电路（6）正电压输出端与参考电压基准电路（8）和电压信号输出电路（3）的电源端连接；所述电流信号采集及处理电路（2）包括取样电路（9）和零点电压抵消电路（10）；外部输入信号接入取样电路（9）输入端，取样电路（9）的电压钳制输出端与零点电压抵消电路（10）的电压钳制输入端连接，取样电路（9）的放大输出端与电压输出电路（3）的放大输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种信号变送器模块，其特征在于：所述正电源电路（6）采用DC/DC转换芯片，芯片的正负输入端与外部电源连接，该正负输入端之间并联电容，负输入端接地；芯片正输出端与电压信号输出电路（3）、参考电压基准电路（8）连接；芯片正输出端与接地端之间并联有多个电容；芯片负输出端与负电源电路（7）连接。

3.根据权利要求1所述的一种信号变送器模块，其特征在于：所述负电源电路（7）采用电源芯片，该芯片输入端与正电源电路（6）的负电压输出端连接；该芯片两个输出端连接后通过串联电阻接地。

4.根据权利要求1所述的一种信号变送器模块，其特征在于：所述参考电压基准电路（8）采用基准源，基准源输入端与正电源电路（6）的正电压输出端连接；基准源输入端与接地端之间连有电容；基准源输出端与地之间连有电容。

5.根据权利要求1所述的一种信号变送器模块，其特征在于：所述取样电路（9）的信号输入端串联电阻后与电压输出电路（3）连接，还通过电容接地，该信号输入端串联电阻后的电压钳制输出端与零点电压抵消电路（10）连接；其信号放大输出端通过并联的电容和二极管接地。

6.根据权利要求1所述的一种信号变送器模块，其特征在于：所述零点电压抵消电路（10）采用三极管和自稳零放大器；三极管的发射极与取样电路（9）电压钳制输出端连接，还通过电阻与自稳零放大器的反向输入端连接，三极管的集电极通过电阻连接负电压，三极管的基极与自稳零放大器输出端连接；自稳零放大器的正向输入端通过串联两个电阻接负电压，两个电阻之间的结点还通过电阻接地。

7.根据权利要求1所述的一种信号变送器模块，其特征在于：

所述电压信号输出电路（3）采用放大器，放大器的正向输入端与取样电路（9）的信号放大输出端连接，还通过二极管与正电源电路（6）连接；放大器反向输入端通过电阻和电容的并联电路与放大器输出端连接；放大器输出端通过电阻与A/D转换处理电路（4）连接。

8.根据权利要求1所述的一种信号变送器模块，其特征在于：所述A/D转换处理电路（4）采用单片机，单片机的一个I/0端与电压信号输出电路（3）连接，另一I/0端与参考电压基准电路（8）的基准源输出端连接；单片机的电源端与正电源电路（6）的正电压输出端连接。