CN204203687U - 一种模拟量输出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟量输出电路，PWM信号发生模块依次连接电平隔离及转换模块、二阶RC滤波模块、电压跟随电路模块和输出防护电路模块，PWM信号发生模块用于产生PWM信号，电平隔离及转换模块对PWM信号实现电平与电气特性的内外隔离，二阶RC滤波模块对隔离后的PWM信号进行滤波，电压跟随电路模块减小滤波后的PWM信号的输出阻抗，输出防护电路模块避免输出的PWM信号受到外部EMC干扰。本实用新型采用光耦隔离实现接口和内部电路的隔离，对接口增加EMC防雷防浪涌设计，通过二阶RC滤波电路滤波，控制方式简单，价格低廉，负载线性稳定度及温度稳定度好，电路抗干扰能力好，输出精度满足绝大部分场合需求。

Description

一种模拟量输出电路

技术领域

本实用新型属于电气控制自动化技术领域，具体涉及一种模拟量输出电路。

背景技术

目前数字处理器广泛应用的场合中，要输出可调的高精度高可靠的模拟量，通常采用处理器自带的DAC转换器或专用的DAC芯片。对于处理器自带的DAC通常通道数量比较少，需要多路模拟量输出时往往无法满足要求，另外如果要实现系统对外的隔离，需要增加隔离运放，成本会很昂贵，且体积也比较大。对于外加专用的DAC芯片，需要增加处理器专用的连接口，如串行总线I2C、SPI或并行总线。当输出信号的精度较高时，D/A芯片的位数也将随之增加，成本价格往往会成倍增加，如果在数字端隔离，根据接口的选择，每个接口线都需要隔离，造成元器件数量大批增加，使体积和造价随之升高。

如果采用PWM波形控制输出模拟量，只要单个IO输出信号，通过光耦隔离，少量元器件调制后就可以得到高精度高可靠的模拟量输出，成本往往会低很多。

目前ZL201420074154专利已实现了通过PWM脉宽控制实现模拟量的输出，该方案通过数字处理器实现PWM控制，经过电平转换芯片实现对所需电平转换，并通过一阶RC滤波电路实现模数转换，最后通过运放做电压跟随器输出模拟量。但上述专利电路未实现输出接口与内部隔离，未实现接口防护，当外部接口受到干扰时，极易干扰内部数据处理及损坏器件，同时，该电路仅使用简单的一阶RC滤波，RC滤波电路会受到PWM波形干扰的影响，且基准电压精度不高，导致输出电压不稳定，纹波会比较大。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种模拟量输出电路，采用光耦隔离实现接口和内部电路的隔离，并对接口增加EMC防雷防浪涌设计，增加在恶劣环境中的可靠性，另外通过二阶RC滤波电路实现，控制方式简单，价格低廉，负载线性稳定度及温度稳定度好，电路抗干扰能力好，输出精度满足绝大部分应用场合需求。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

    一种模拟量输出电路，包括PWM信号发生模块、电平隔离及转换模块、二阶RC滤波模块、电压跟随电路模块和输出防护电路模块；所述PWM信号发生模块依次连接所述电平隔离及转换模块、所述二阶RC滤波模块、所述电压跟随电路模块和所述输出防护电路模块，所述PWM信号发生模块用于产生PWM信号，所述电平隔离及转换模块对PWM信号实现电平与电气特性的内外隔离，所述二阶RC滤波模块对隔离后的PWM信号进行滤波，所述电压跟随电路模块减小滤波后的PWM信号的输出阻抗，所述输出防护电路模块避免输出的PWM信号受到外部EMC干扰。

    进一步的，所述PWM信号发生模块包括用于产生PWM信号的定时器，所述定时器的位数为16位宽，所述定时器包括第一寄存器和第二寄存器，所述第一寄存器配置PWM脉冲的周期T，T周期为100Hz，所述第二寄存器配置PWM波形高电平的时间τ。

    进一步的，所述电平隔离及转换模块包括第一电阻、第二电阻、隔离光耦、第一限流电阻、第二限流电阻、PMOS管、NMOS管、第七电阻和稳压二极管；所述PWM信号发生模块连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述隔离光耦的第一输入端，所述隔离光耦的第二输入端接GND1，所述隔离光耦的第一输出端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接电源VCC2，所述隔离光耦的第二输出端连接所述第七电阻的第一端，所述第一限流电阻的第一端同时连接所述第七电阻的第一端和所述第二限流电阻的第二端，所述第一限流电阻的第二端连接所述PMOS管的第一端，所述NMOS管的第一端同时连接所述第二限流电阻的第一端和所述第七电阻的第二端，所述NMOS管的第二端连接所述PMOS管的第一端，所述稳压二极管的第一端接地GND2，所述稳压二极管的第二端连接所述PMOS管的第二端，所述隔离光耦为高速光耦，所述第一限流电阻取值为500Ω-1KΩ，所述稳压二极管稳压值为接口输出电平所需要的最大值。

    进一步的，所述二阶RC滤波模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容；所述第三电阻的第一端连接所述PMOS管的第二端，所述第三电阻的第二端连接电源VCC2，所述第四电阻的第一端连接所述PMOS管的第一端，所述第四电阻的第二端同时连接所述第五电阻的第一端和所述第一电容的第一端，所述第五电阻的第二端连接所述第二电容的第一端，所述第一电容的第二端同时连接所述第七电阻的第二端和所述第二电容的第二端，所述二阶RC滤波模块中RC的时间常数取RC≥2T，其中T为PWM波形的周期。

    进一步的，所述电压跟随电路模块包括运算放大器；所述第五电阻的第二端连接所述运算放大器的正向输入端。

进一步的，所述输出防护电路模块包括气体放电管、功率电阻和TVS管；所述功率电阻的第一端同时连接所述运算放大器的输出端和所述TVS管的第一端，所述TVS管的第二端连接所述气体放电管的第一端，所述气体放电管的第一端连接地，所述功率电阻的第二端同时连接所述气体放电管的第二端和模拟量输出口。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用光耦隔离实现接口和内部电路的隔离，并对接口增加EMC防雷防浪涌设计，增加在恶劣环境中的可靠性，另外通过二阶RC滤波电路实现，采用高精度的电源稳压芯片作为ADC参考电压，隔离使得处理器的PWM不会影响到模拟量的波动，增加了输出模拟量的稳定性；

2、本实用新型采用PWM控制实现模拟量的输出，控制方式简单，价格低廉，负载线性稳定度及温度稳定度好，电路抗干扰能力好，输出精度满足绝大部分应用场合需求。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的电路图。

    图中标号说明：

    1、PWM信号发生模块，2、电平隔离及转换模块，3、二阶RC滤波模块，4、电压跟随电路模块，5、输出防护电路模块，R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，R4、第四电阻，R5、第五电阻，R6、功率电阻，R7、第七电阻，U1、隔离光耦，U2、运算放大器，C1、第一电容，C2、第二电容，Q1、PMOS管，Q2、NMOS管，D1、第一限流电阻，D2、第二限流电阻，D3、稳压二极管，D4、TVS管，D5、气体放电管。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

    参见图1所示，一种模拟量输出电路，包括PWM信号发生模块1、电平隔离及转换模块2、二阶RC滤波模块3、电压跟随电路模块4和输出防护电路模块5；所述PWM信号发生模块1依次连接所述电平隔离及转换模块2、所述二阶RC滤波模块3、所述电压跟随电路模块4和所述输出防护电路模块5，所述PWM信号发生模块1用于产生PWM信号，所述电平隔离及转换模块2对PWM信号实现电平与电气特性的内外隔离，所述二阶RC滤波模块3对隔离后的PWM信号进行滤波，所述电压跟随电路模块4减小滤波后的PWM信号的输出阻抗，所述输出防护电路模块5避免输出的PWM信号受到外部EMC干扰。

    进一步的，所述PWM信号发生模块1包括用于产生PWM信号的定时器，所述定时器的位数为16位宽，所述定时器包括第一寄存器和第二寄存器，所述第一寄存器配置PWM脉冲的周期T，T周期为100Hz，所述第二寄存器配置PWM波形高电平的时间τ。

进一步的，参见图2所示，所述电平隔离及转换模块2包括第一电阻R1、第二电阻R2、隔离光耦U1、第一限流电阻D1、第二限流电阻D2、PMOS管Q1、NMOS管Q2、第七电阻R7和稳压二极管D3；所述PWM信号发生模块1连接所述第一电阻R1的第一端，所述第一电阻R1的第二端连接所述隔离光耦U1的第一输入端，所述隔离光耦U1的第二输入端接GND1，所述隔离光耦U1的第一输出端连接所述第二电阻R2的第一端，所述第二电阻R2的第二端连接电源VCC2，所述隔离光耦U1的第二输出端连接所述第七电阻R7的第一端，所述第一限流电阻D1的第一端同时连接所述第七电阻R7的第一端和所述第二限流电阻D2的第二端，所述第一限流电阻D1的第二端连接所述PMOS管Q1的第一端，所述NMOS管Q2的第一端同时连接所述第二限流电阻D2的第一端和所述第七电阻R7的第二端，所述NMOS管Q2的第二端连接所述PMOS管Q1的第一端，所述稳压二极管D3的第一端接地GND2，所述稳压二极管D3的第二端连接所述PMOS管Q1的第二端。

稳压值为接口输出电平所需要的最大值。所述PWM信号发生模块1输出的PWM信号电平通常为3.3V或5V，无法满足接口所需要的电平，通过接口输出到所述电平隔离及转换模块2，所述电平隔离及转换模块2采用高速的隔离光耦，实现电平与电气特性的内外隔离，隔离后的高电平的电压为接口电压，具体根据不同的应用确定。所述第一限流电阻D1取值可以在500欧姆到1K欧姆之间，所述隔离光耦U1为了使得光耦输出由低到高和由高到低的延时差尽量小，采用高速光耦。所述稳压二极管D3稳压值为接口输出电平所需要的最大值，如模拟量接口输出需要为0~10V,则稳压管采用10V高精度稳压管，该稳压管作为模拟量输出的基准电压，因此精度要求较高。当PWM侧输入高电平时，光耦导通，所述NMOS管Q2导通，所述PMOS管Q1断开，图中A点电平为低；当PWM侧输入低电平时，光耦截止，所述NMOS管Q2截止，所述PMOS管Q1断开，图中A点电平为高，即为稳压管的电压。

    进一步的，所述二阶RC滤波模块3包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2；所述第三电阻R3的第一端连接所述PMOS管Q1的第二端，所述第三电阻R3的第二端连接电源VCC2，所述第四电阻R4的第一端连接所述PMOS管Q1的第一端，所述第四电阻R4的第二端同时连接所述第五电阻R5的第一端和所述第一电容C1的第一端，所述第五电阻R5的第二端连接所述第二电容C2的第一端，所述第一电容C1的第二端同时连接所述第七电阻R7的第二端和所述第二电容C2的第二端，所述二阶RC滤波模块3中RC的时间常数取RC≥2T，其中T为PWM波形的周期，采用所述二阶RC滤波模块3不仅提高了滤波电路带载能力，而且使线性度得到了提高。

    进一步的，所述电压跟随电路模块4包括运算放大器U2；所述第五电阻R5的第二端连接所述运算放大器U2的正向输入端。所述电压跟随电路模块4用于减小该电路模拟量输出的输出阻抗，提高电路的带载能力及线性稳定度。

    进一步的，所述输出防护电路模块5包括气体放电管D5、功率电阻R6和TVS管D4；所述功率电阻R6的第一端同时连接所述运算放大器U2的输出端和所述TVS管D4的第一端，所述TVS管D4的第二端连接所述气体放电管D5的第一端，所述气体放电管D5的第一端连接地，所述功率电阻R6的第二端同时连接所述气体放电管D5的第二端和模拟量输出口。由于所述运算放大器U2，所述PWM信号发生模块1等器件很容易受到外部EMC干扰，因此增加接口防护设计是必要的，当外部有大的浪涌电压输入时，所述气体放电管D5可以迅速将能量释放到大地，同时所述功率电阻R6和所述TVS管D4可以防止残余能量进入内部。

以上所述仅为实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟量输出电路，其特征在于：包括PWM信号发生模块（1）、电平隔离及转换模块（2）、二阶RC滤波模块（3）、电压跟随电路模块（4）和输出防护电路模块（5）；所述PWM信号发生模块（1）依次连接所述电平隔离及转换模块（2）、所述二阶RC滤波模块（3）、所述电压跟随电路模块（4）和所述输出防护电路模块（5），所述PWM信号发生模块（1）用于产生PWM信号，所述电平隔离及转换模块（2）对PWM信号实现电平与电气特性的内外隔离，所述二阶RC滤波模块（3）对隔离后的PWM信号进行滤波，所述电压跟随电路模块（4）减小滤波后的PWM信号的输出阻抗，所述输出防护电路模块（5）避免输出的PWM信号受到外部EMC干扰。

2.根据权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述PWM信号发生模块（1）包括用于产生PWM信号的定时器，所述定时器的位数为16位宽，所述定时器包括第一寄存器和第二寄存器，所述第一寄存器配置PWM脉冲的周期T，T周期为100Hz，所述第二寄存器配置PWM波形高电平的时间τ。

3.根据权利要求2所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述电平隔离及转换模块（2）包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、隔离光耦（U1）、第一限流电阻（D1）、第二限流电阻（D2）、PMOS管（Q1）、NMOS管（Q2）、第七电阻（R7）和稳压二极管（D3）；所述PWM信号发生模块（1）连接所述第一电阻（R1）的第一端，所述第一电阻（R1）的第二端连接所述隔离光耦（U1）的第一输入端，所述隔离光耦（U1）的第二输入端接GND1，所述隔离光耦（U1）的第一输出端连接所述第二电阻（R2）的第一端，所述第二电阻（R2）的第二端连接电源VCC2，所述隔离光耦（U1）的第二输出端连接所述第七电阻（R7）的第一端，所述第一限流电阻（D1）的第一端同时连接所述第七电阻（R7）的第一端和所述第二限流电阻（D2）的第二端，所述第一限流电阻（D1）的第二端连接所述PMOS管（Q1）的第一端，所述NMOS管（Q2）的第一端同时连接所述第二限流电阻（D2）的第一端和所述第七电阻（R7）的第二端，所述NMOS管（Q2）的第二端连接所述PMOS管（Q1）的第一端，所述稳压二极管（D3）的第一端接地GND2，所述稳压二极管（D3）的第二端连接所述PMOS管（Q1）的第二端，所述隔离光耦（U1)为高速光耦，所述第一限流电阻(D1)取值为500Ω-1KΩ，所述稳压二极管(D3)稳压值为接口输出电平所需要的最大值。

4.根据权利要求3所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述二阶RC滤波模块（3）包括第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第一电容（C1）、第二电容（C2）；所述第三电阻（R3）的第一端连接所述PMOS管（Q1）的第二端，所述第三电阻（R3）的第二端连接电源VCC2，所述第四电阻（R4）的第一端连接所述PMOS管（Q1）的第一端，所述第四电阻（R4）的第二端同时连接所述第五电阻（R5）的第一端和所述第一电容（C1）的第一端，所述第五电阻（R5）的第二端连接所述第二电容（C2）的第一端，所述第一电容（C1）的第二端同时连接所述第七电阻（R7）的第二端和所述第二电容（C2）的第二端，所述二阶RC滤波模块（3）中RC的时间常数取RC≥2T，其中T为PWM波形的周期。

5.根据权利要求4所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述电压跟随电路模块（4）包括运算放大器（U2）；所述第五电阻（R5）的第二端连接所述运算放大器（U2）的正向输入端。

6.根据权利要求5所述的模拟量输出电路，其特征在于：所述输出防护电路模块（5）包括气体放电管（D5）、功率电阻（R6）和TVS管（D4）；所述功率电阻（R6）的第一端同时连接所述运算放大器（U2）的输出端和所述TVS管（D4）的第一端，所述TVS管（D4）的第二端连接所述气体放电管（D5）的第一端，所述气体放电管（D5）的第一端连接地，所述功率电阻（R6）的第二端同时连接所述气体放电管（D5）的第二端和模拟量输出口。