CN204856101U - 一种直流模拟量输出的电子电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流模拟量输出的电子电路。现有技术多采用外加一块独立的DAC芯片实现模拟量的控制，或者采用PWM+电容滤波电路来摸拟DA。本实用新型提供一种直流模拟量输出的电子电路，包括高线性模拟光电耦合器、电流环输出驱动三极管、一级运算放大器、二级运算放大器、三级运算放大器、第二电阻、第五电阻和混合信号微控制器，混合信号微控制器通过第二电阻分别接第一运算放大器和高线性模拟光电耦合器，高线性模拟光电耦合器接二级运算放大器，二级运算放大器接三级运算放大器，三级运算放大器与电流环输出驱动三极管连接，电流环输出驱动三极管与三级运算放大器连接。本实用新型结构简单，设计合理，降低了设备成本和故障点。

Description

一种直流模拟量输出的电子电路

技术领域

本实用新型涉及一种直流模拟量输出的电子电路，主要应用在工矿企业、楼宇等输配电设备或工业场合参量监测设备中，特别对于被监测量值的测量精度要求非常高的场所。

背景技术

4–20mA直流模拟量输出广泛用作工业领域的模拟通信接口，可以方便地通过双绞线将远端传感器数据传送到控制中心的可编程逻辑控制器（PLC）。这种接口简单、可实现数据的长距离可靠传输，具有良好的抗噪性，实施成本较低，非常适合长期的工业过程控制以及远端自动监测。为工业场合开发的设备通常情况下都会具有4-20mA输出接口，现有技术多采用外加一块独立的DAC芯片实现模拟量的控制，或者采用PWM+电容滤波电路来摸拟DA，这种硬件电路，不但增加了硬件配置的复杂性，也带来温漂和长期稳定性问题，从而不能正确、快速地反应出被检测量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，降低了设备成本和故障点，精度高、稳定性好、漂移小以及编程方便的直流模拟量输出的电子电路。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：该直流模拟量输出的电子电路，其特征在于：包括高线性模拟光电耦合器、电流环输出驱动三极管、一级运算放大器、二级运算放大器、三级运算放大器、第二电阻、第五电阻和具有自带的DAC的混合信号微控制器，混合信号微控制器通过第二电阻分别接第一运算放大器和高线性模拟光电耦合器，高线性模拟光电耦合器接二级运算放大器，二级运算放大器的输出端接三级运算放大器的同相输入端，三级运算放大器的输出端通过第五电阻与电流环输出驱动三极管的第一引线脚连接，电流环输出驱动三极管的第二引线脚与三级运算放大器的反向输入端连接。混合信号微控制器通过内部高速计算，得出4~20mA输出所对应的DA值，把计算值直接送内部专用控制寄存器，混合信号微控制器的DAC口对应输出当前的直流电压，驱动转换电路输出4~20mA电流信号，重复以上过程，从而实现精准测量输出；一级运算放大器、二级运算放大器和三级运算放大器选用的型号为OPA333，这是一颗非常优异的单电源轨至轨运算放大器，其工作电压为2.7-5.5V，其失调电压仅为10uV，实测最低输出为30uV，最高输出可达VCC-30uV，本电子电路组成压控恒流源，其关键在于OPA333这颗芯片的优异性能，使得以上电路获得了极高的精度和稳定性；高线性模拟光耦，在本电子电路中主要是用于实现系统内部信号与外部模拟信号的隔离，其具有超低非线性(0.01%)、低增益温度系数(-65ppm/℃)、宽带(DC：>1MHz)的特点，输入光电二极管可用于监测，并借此稳定LED的光输出。因此，LED的非线性和漂移特性几乎可被完全消除，输出二极管则产生一个跟LED的光输出线性相关的光电流，光电二极管之间的密切配合，和封装上的先进设计，确保了高线性模拟光耦的高线性和稳定增益特性；DAC1来自于混合信号微控制器的DAC输出，由第二电阻隔离后进入一级运算放大器，并由高线性模拟光耦进行1:1隔离缓冲，在第五电阻上形成检测电压，后经过电流环输出驱动三极管进行电流放大。

本实用新型还包括肖特基二极管、第一电感、第二电感、第六电阻和瞬变抑制，电流环输出驱动三极管的第三引线脚与第一电感连接，第一电感、瞬变抑制、第二电感、第六电阻和肖特基二极管依次连接。肖特基二极管保护输出电路不受反向电流损害，第一电感、第二电感和瞬变抑制用于对输出接口进行保护，滤除外部的干扰信号，4-20mA直流模拟量输出信号由4-20mA+/4-20mA-之间输出。

本实用新型还包括电源、第一电阻和第一电容，电源通过第一电阻与高线性模拟光电耦合器连接，高线性模拟光电耦合器连接与第一电容连接。高线性模拟光耦工作在光电压模式下，信号为正极性输入，正极性输出，第一电阻调节一级运算放大器的输入偏置电流的大小，第一电容起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免高线性模拟光耦中的铝砷化镓发光二极管受到意外的冲击。

本实用新型所述混合信号微控制器的型号为C8051F120。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单，设计合理，防水效果好，操作方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例中直流模拟量输出的电子电路的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中的直流模拟量输出的电子电路包括包括高线性模拟光电耦合器OC1、电流环输出驱动三极管Q1、一级运算放大器U2A、二级运算放大器U3A、三级运算放大器U3B、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、混合信号微控制器C8051F120、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一电感L1、第二电感L2、肖特基二极管D1、瞬变抑制TVS、电源VCC。

本实施例中的混合信号微控制器C8051F120通过第二电阻R2分别接第一运算放大器U2A和高线性模拟光电耦合器OC1，高线性模拟光电耦合器OC1接二级运算放大器U3A，二级运算放大器U3A的输出端接三级运算放大器U3B的同相输入端，三级运算放大器U3B的输出端通过第五电阻R5与电流环输出驱动三极管Q1的第一引线脚连接，电流环输出驱动三极管Q1的第二引线脚与三级运算放大器U3B的反向输入端连接。混合信号微控制器C8051F120通过内部高速计算，得出4~20mA输出所对应的DA值，把计算值直接送内部专用控制寄存器，混合信号微控制器C8051F120的DAC口对应输出当前的直流电压，驱动转换电路输出4~20mA电流信号，重复以上过程，从而实现精准测量输出；一级运算放大器U2A、二级运算放大器U3A和三级运算放大器U3B选用的型号为OPA333，这是一颗非常优异的单电源VCC轨至轨运算放大器，其工作电压为2.7-5.5V，其失调电压仅为10uV，实测最低输出为30uV，最高输出可达VCC-30uV，本电子电路组成压控恒流源，其关键在于OPA333这颗芯片的优异性能，使得以上电路获得了极高的精度和稳定性；高线性模拟光耦，在本电子电路中主要是用于实现系统内部信号与外部模拟信号的隔离，其具有超低非线性(0.01%)、低增益温度系数(-65ppm/℃)、宽带(DC：>1MHz)的特点，输入光电二极管可用于监测，并借此稳定LED的光输出。因此，LED的非线性和漂移特性几乎可被完全消除，输出二极管则产生一个跟LED的光输出线性相关的光电流，光电二极管之间的密切配合，和封装上的先进设计，确保了高线性模拟光耦的高线性和稳定增益特性；DAC1来自于混合信号微控制器C8051F120的DAC输出，由第二电阻R2隔离后进入一级运算放大器U2A，并由高线性模拟光耦进行1:1隔离缓冲，在第五电阻R5上形成检测电压，后经过电流环输出驱动三极管Q1进行电流放大。

本实施例中的电流环输出驱动三极管Q1的第三引线脚与第一电感L1连接，第一电感L1、瞬变抑制TVS、第二电感L2、第六电阻R6和肖特基二极管D1依次连接。肖特基二极管D1保护输出电路不受反向电流损害，第一电感L1、第二电感L2和瞬变抑制TVS用于对输出接口进行保护，滤除外部的干扰信号，4-20mA直流模拟量输出信号由4-20mA+/4-20mA-之间输出，由于外部负载可能的微小干扰或波动将导致二级运算放大器U3B组成的深度负反馈电路形成振荡，使输出电流波动，加入第五电容C5、第一电感L1、第二电感L2和瞬变抑制TVS能抑制这种波动，使输出更稳定。

本实施例中的电源VCC通过第一电阻R1与高线性模拟光电耦合器OC1连接，高线性模拟光电耦合器OC1连接与第一电容C1连接。高线性模拟光耦工作在光电压模式下，信号为正极性输入，正极性输出，第一电阻R1调节一级运算放大器U2A的输入偏置电流的大小，第一电容C1起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免高线性模拟光耦中的铝砷化镓发光二极管受到意外的冲击。但是，随着频率的提高，阻抗将变小，高线性模拟光耦合器OC1的初级电流增大，增益随之变大，因而，第一电容C1的引入对通道在高频时的增益有一定影响，虽然减小第一电容C1的值可以拓展带宽，但是，会影响初级运算放大器的增益，同时，初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。第五电阻R5可以控制高线性模拟光耦合器OC1中LED的发光强度，对控制通道增益起一定作用。一级初级运算放大器U2A用于调节反馈电流If。当DAC控制的输入电压增加时，输入电流增加，同时一级运算放大器U2A的“＋”输入端电压增加，促使反馈电流If增加。由于高线性模拟光耦合器OC1输入、输出发光二极管之间的联系，输入电流就会把“＋”输入端电压重新拉回0V，形成负反馈。二级运算放大器U3B和第五电阻R5将输出电流转化成电压。第六电阻R6做为输出端的限流电流，使得输出端的最大输出电流Imax=Vcc/（R4+R6），Vcc为电源电压去掉肖特基二极管D1的管压降和电流环输出驱动三极管Q1集射集电压Vce，即Vcc=12-0.7-0.3=11V，则Imax=11V/300Ω=36.6mA，这时第六电阻R6上的耗散功率为0.036mA*0.036mA*150Ω=0.19W，第四电阻R4和第六电阻R6选用1206封装的贴片电阻，该封装的功率可达0.5W，保证电路始终工作在正常的范围之内。

本实施例中的混合信号微控制器C8051F120的型号为C8051F120。

本实施例中的第二电容C2与一级运算放大器U2A连接，第三电容C3一端与二级运算放大器U3A的输出端连接，另一端与二级运算放大器U3A的反相输入端连接，第三电阻R3的一端与二级运算放大器U3A的输出端连接，另一端与二级运算放大器U3A的反相输入端连接，第四电容与二级运算放大器U3A连接。

本实施例中的第四电阻R4一端分别与电流环输出驱动三极管Q1的第二引线脚和三级运算放大器U2B的反相输入端连接，另一端分别与第五电容C5、第四电阻R4、二级运算放大器U3A和高线性模拟光电耦合器OC1连接。

本实施例中的、一级运算放大器U2A、二级运算放大器U3A、三级运算放大器U3B均包括反相输入端、正相输入端和输出端，上述为现有技术，因而此处不再赘述。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构及附图所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

本实用新型涉及一种直流模拟量输出的电子电路。现有技术多采用外加一块独立的DAC芯片实现模拟量的控制，或者采用PWM+电容滤波电路来摸拟DA。本实用新型提供一种直流模拟量输出的电子电路，包括高线性模拟光电耦合器、电流环输出驱动三极管、一级运算放大器、二级运算放大器、三级运算放大器、第二电阻、第五电阻和混合信号微控制器，混合信号微控制器通过第二电阻分别接第一运算放大器和高线性模拟光电耦合器，高线性模拟光电耦合器接二级运算放大器，二级运算放大器接三级运算放大器，三级运算放大器与电流环输出驱动三极管连接，电流环输出驱动三极管与三级运算放大器连接。本实用新型结构简单，设计合理，降低了设备成本和故障点。

Claims (4)

1.一种直流模拟量输出的电子电路，其特征在于：包括高线性模拟光电耦合器、电流环输出驱动三极管、一级运算放大器、二级运算放大器、三级运算放大器、第二电阻、第五电阻和具有自带的DAC的混合信号微控制器，混合信号微控制器通过第二电阻分别接第一运算放大器和高线性模拟光电耦合器，高线性模拟光电耦合器接二级运算放大器，二级运算放大器的输出端接三级运算放大器的同相输入端，三级运算放大器的输出端通过第五电阻与电流环输出驱动三极管的第一引线脚连接，电流环输出驱动三极管的第二引线脚与三级运算放大器的反向输入端连接。

2.根据权利要求1所述的直流模拟量输出的电子电路，其特征在于：还包括肖特基二极管、第一电感、第二电感、第六电阻和瞬变抑制，电流环输出驱动三极管的第三引线脚与第一电感连接，第一电感、瞬变抑制、第二电感、第六电阻和肖特基二极管依次连接。

3.根据权利要求1或2所述的直流模拟量输出的电子电路，其特征在于：还包括电源、第一电阻和第一电容，电源通过第一电阻与高线性模拟光电耦合器连接，高线性模拟光电耦合器连接与第一电容连接。

4.根据权利要求1或2所述的直流模拟量输出的电子电路，其特征在于：所述混合信号微控制器的型号为C8051F120。