CN207475518U - 一种通用隔离型变送模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种通用隔离型变送模块，其涉及工业自动化仪器仪表技术领域。包括PWM信号缓冲驱动电路、PWM信号隔离传输电路、PWM信号波形整形电路、PWM斩波电路、基准电压源电路、二阶RC滤波电路、电压镜像电路、电压—电流转换及电流输出电路、模块输出侧电源电压降压电路、输出电压限压电路、印刷线路板。本实用新型提供一种具有高性价比，线性精度高，受温度影响小，稳定性高，可靠性高，抗干扰能力强可以通用的隔离型变送模块。
Description
技术领域
本实用新型为工业自动化仪器仪表技术领域，具体涉及一种通用隔离型变送模块。
背景技术
随着现代测量技术向数字化，智能化方向发展，现代仪表均通过AD采样将模拟信号转换为数字信号，再经过微处理器芯片加工处理从而实现智能化测量与控制功能。在控制执行部分仍然需要将数字量传换为模拟量来实现精准控制。因此大多数工业控制仪表均会带通有 DC 4～20mA电流信号输出，用于驱动调节控制执行部件完成控制执行工作，或者用于传送一个与工业仪表测量值成比例关系的标准信号，此标准信号可以通过其他设备测量采样并最终实现对被测对象的远程监视。在这些过程测量或控制过程系统中由于线路复杂，因此要做到测量与各控制对象以及链路信号之间实现电气隔离以达到使系统安全可靠运行的目的。
由于要求做到电气隔离，而在信号隔离方面有两种隔离传送方式，一种是数字隔离，另一种是模拟量隔离。实现这两种隔离的技术有电磁隔离与光电隔离等；电磁隔离要求电路十分复杂且可靠性、稳定性差，在现代智能仪表中应用也越来越少。光电隔离是利用光偶元件来实现，成本低、电路结构简单、可靠性相对较高，因此本隔离型变送模块采用比较通的光电隔离来实现功能。
智能仪表控制器要将测量的数字量转换为DC 4-20mA的物理量可以通过专用的数字模拟转换器DAC转换为电压信号，再通过电压信号转换为电流信号来实现。另一种方法是通过PWM方式来实现将数字量转换为电压信号，再由电压信号转换为电流信号实现。本隔离型变送模块就是采用PWM方式来实现转换的。
现有用的采用PWM转换为电压再由电压转换为电流的DC4-20mA变送方式；大多数只是实现了功能，暴露了许多问题。如：线性精度差、长时间使用后出现漂移、发热大，易受温度影响稳定性差，抗干扰能力差，负载能力弱，成本高等问题。
实用新型内容
本实用新型通过对通用元器件的优化组合达到克服现有技术上存在的问题与不足，从而提供一种具有高性价比，线性精度高，受温度影响小，稳定性高，可靠性高，抗干扰能力强可以通用的隔离型变送模块。为实现上述实用新型目的的技术方案是基于模拟电路将PWM信号转换为电压信号，再将电压信号转换为电流信号的通用隔离型变送模块，其技术方案是：
一个PWM信号缓冲驱动电路：用于将不同电源系统供电的单片机发出的PWM信号转换为电平幅度统一的脉冲信号；因为此电路采用标准的5V供电；其输入端可接接收电平为5V或为3.3V的脉冲信号，信号经过此电路后统输出为5V电平幅度的脉冲信号。这为后面驱动光偶提供稳定的电流做好准备，以提高隔离稳定性。
一个PWM信号隔离传输电路：用于将PWM信号经过光偶稳定可靠的传输到变送模块输出侧。
一个PWM信号波形整形电路：用于将经隔离传输到模块电流输出侧的PWM信号进行整形输出，因为通过光偶到达本侧的信号受光偶参数、电源电压差异、温度变化等因素影响产生了较大的延时或变形无法使用；因此需要将此信号进行补尝整形后才用于后极斩波。
一个PWM斩波电路：用于PWM对基准电压源进行斩波输出从而实现对电压的调制。
一个基准电压源电路：用于产生一个稳定可靠的2.5V的基准电压源。
一个二阶RC滤波电路：用于滤波平滑经斩波后的基准电压，从而实现稳定的PWM调制电压输出。
一个电压镜像电路：用于产生一个与PWM调制电压大小相等参考方向相反的电压输出。此输出电压最终用于电压—电流转换电路输入；从而使整个电流输出实现共地输出。
一个电压—电流转换及电流输出电路：用于将电压信号转换为电流输出实现模块最终功能。
一个模块输出侧电源电压降压电路：用于降低因电源电压波动对整个输出电路影响。电源电压由不同的电源绕组提供，如果没有稳压时，其他绕组带负载情况有变时，此绕组输出电压也会跟着波动。
一个输出电压限压电路：用于限制最大输出电压应小于电源电压，实现电路稳定可靠工作；因为普通运算放大器的输出电压不可以等于电源电压；否则运算放大电路不能正常工作。因此要加入此限压电路。
一个印刷线路板：用于焊接安装元器件，线路连线及减少抗干影响，并最终实现一个宽16mm长36mm的一个隔离型变送模块。
上述介绍的共有十一个，分别为PWM信号缓冲驱动电路、PWM信号隔离传输电路、PWM信号波形整形电路、PWM斩波电路、基准电压源电路、二阶RC滤波电路、电压镜像电路、电压—电流转换及电流输出电路、模块输出侧电源电压降压电路、输出电压限压电路和印刷线路板，所述的十一个零件按顺序通过导线依次进行连接。
优选的，所述PWM信号缓冲驱动电路由单非门电路D1,电容C1组成；单非门电路D1NL17SZ04DFT2第一脚是空脚，第二脚是信号输入端，第三脚是电源地，第四脚是反向输出端与C1电容的第一端相连并与Q1 KPS28010D第二脚相连，第五脚与电源正极VCC连接；C1第二端与地相连。
优选的，所述WM信号波形整形电路是由三极管D3,电阻R2组成，三极管D3基极与电阻R2一端相连接同，三极管D3集电极与24V电源地相连接，三极管D3发射极与斩波电路的电阻R4,电阻R5的一端并与MOSFET D4栅极相连接。
优选的，所述电压镜像电路是由运算放大器IC2A LM2904M,电阻R9,电阻R10，三极管D6组成，运算放大器IC2A LM2904M第三端与电阻R8一端并与电容C3正极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第一端与三极管D6基极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第二端与电阻R10一端并与三极管D6发射极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第八端与稳压管D2阳极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第四端与24V电源地相连接；三极管D6集电极与电阻R9一端并与运算放大器IC2B LM2904M第五端相连接；电阻R10另一端与24V电源地相连接；电阻R9另一端与稳压管D5的阳极并与电阻R11一端相连接。
优选的，电压—电流转换及电流输出电路是由运算放大器IC2B LM2904M,电阻R11,电阻R12，三极管D7,三极管D8，电容C5组成；运算放大器IC2B LM2904M第六端与电阻R11一端并与三极管D8 HM772发射极相连接，运算放大器IC2B LM2904M第五端与电阻R9一端并与三极管D6集电极相连接，运算放大器IC2B LM2904M第七端与电阻R12一端相连接；三极管D7集电极与三极管D8集电极相连接并与电容C5一端相连接并最终与电流输出端相连接，三极管D7集电极与三极管D8 HM772基极相连接；电容C5另一端与24V电源地相连接。
本实用新型具有以下有益效果：
（1）PWM信号缓冲驱动电路采用标准的5V供电；其输入端可接接收电平为5V或为3.3V的脉冲信号，信号经过此电路后统输出为5V电平幅度的脉冲信号。这为后面驱动光偶提供稳定的电流做好准备，以提高隔离稳定性；
（2）二阶RC滤波电路：滤波平滑经斩波后的基准电压，从而实现稳定的PWM调制电压输出；
（3）高性价比，线性精度高，受温度影响小，稳定性高，可靠性高，抗干扰能力强。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的原理图框图。
图2为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
为了使本实用新型的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图1，图2，具体说明本实用新型的系统连接关系、电路连接关系、工作原理、电磁兼容设计、模块封装、应用调试校准方法。
参照图1所示本实用新型系统连接关系的顺序是：PWM信号缓冲驱动电路1、PWM信号隔离传输电路2、PWM信号波形整形电路3、PWM斩波电路4、基准电压源电路5、二阶RC滤波电路6、电压镜像电路7、电压—电流转换及电流输出电路8、模块输出侧电源电压降压电路9、输出限压电路10。
结合图1说明一种通用隔离型变送模块的工作过程：
本通用实用新型需要两个独立的电源系统供电来实现隔离要求；即DC5V电源系统和DC24V电源系统；并将电源正负极正确连接到模块相应的电源输入端。本实用新型接收由MCU（单片机）内部的PWM信号产生器输出一个频率在200Hz左右的PWM信号。此信号占空比可以根据工业仪表测量值或控制系统参量实时变化；占空比可在0%～100%范围之间变化，PWM占空比的分辩率由单片机定时器的位数决定；如16位定时器就可以实现1/65536的分辨率。根据此分辨率即可看出只要本实用新型能够实现，变送模块输出信号的精度就可以做到很高；且分辨率就可以做得1/66536。当模块接收到的PWM信号全部为高电平时输出为接近25mA，当模块接收到的PWM信号全部为低电平时输出接近0mA电流；这样即确定了模块的最低与最高的输出电流值；当PWM占空比在0%～100%之间线性变化时，模块的输出电流也会由0mA～25mA成线性变化。
校准方法：本实用新型校准无需硬件调整，只需要通过软件实现，如上述提出当PWM信号的占空比成0%～100%变化时输出的电流也是由0mA～25mA成性线输出；此时如果产生PWM信号的计时器范围是0～65535时，可以通过设置计时器的下限为范围的16%即10486可实现输出为4.000mA;并将计时器的上限设定范围的80%即52429可以实现输出电流为20.000mA.调整好上下限范围后模块的输出范围也就确定了，此时只要测量仪表或工业控制器的参数根据此范围实现线性化即可实现相应的DC 4～20mA电流输出功能；再通过改变测量或工程参数再用标准电流表测量输出的电流精度和准确性以达到合格要求即完成校准。
电磁兼容及抗干扰设计：本实用新型要适应工业应用场合需要能够达到四级以上的抗干扰能力，因此采用多存线路板，设计好的线路板有完整的信号与电源地，设计时线路板应符合原理框图顺序，线路信号走线尽量走宽线。电源线回路要尽可能短。为达到隔离功能，在隔离光偶初次级间要有4mm以上的间距，5V供电系统与24供电统要达到AC2000V以上的耐压隔离要求。总之，为了达到抗干扰要求要有合理的元件布局和科学的布线。将小信号与大信号分开，高电压与低电压分开，尺量减小信号回路，确保地平面的完整性即可。
合理的温度布局，发热器件要远离其他电路会提高模块的输出精度及温漂性能；增加强产品的可靠性。
合理选择模块大小，为了使模块小巧灵活可以采用双面贴片安装。这样做就可以使模块能够使用于更多更小的自动化仪表或设备中；通用性更佳。
模块封装用线路板加上焊脚和排针，加上排针后可以用排针排母的插接结构达到便于生产维护的需要。
结合图2说明线路连接关系：
PWM信号缓冲驱动电路：单非门电路D1,电容C1组成；单非门电路D1 NL17SZ04DFT2第一脚是空脚，第二脚是信号输入端，第三脚是电源地，第四脚是反向输出端与C1电容的第一端相连并与Q1 KPS28010D第二脚相连，第五脚与电源正即VCC连接；C1第二端与地相连。
PWM信号隔离传输电路：电阻R1, R3,光偶Q1 KPS28010D组成；光偶Q1 KPS28010D第一脚与R1一端相连后电阻R1另一端与电源VCC相接，光偶Q1 KPS28010D第二脚与D1NL17SZ04DFT2第四脚相接，光偶Q1 KPS28010D第三端与三极管D3基极并与电阻R2一端相连接，光偶Q1 KPS28010D第四脚与R3一端相连接R3另一端与D2第一端阳极相连接。
PWM信号波形整形电路：三极管D3,电阻R2组成，三极管D3基极与电阻R2一端相连接同，三极管D3集电极与24V电源地相连接，三极管D3发射极与斩波电路的电阻R4,电阻R5的一端并与MOSFET D4栅极相连接。
PWM斩波电路：电阻R4,电阻R5,MOSFET D4组成；MOSFET D4栅极分别与电阻R4,电阻R5一端相连接并与三极管D3集电极相连接；电阻R4另一端与稳压管D2阳极相连接，电阻R5另一端与24V电源地相连接；MOSFET D4 源极与24V电源地相连接，MOSFET D4 漏极与集成基准稳压IC1 LM285DR-2-5第八端相连接并与电阻R6,电阻R7一端相连接。
基准电压源电路：集成基准稳压IC1 LM285DR-2-5与电阻R6组成，集成基准稳压IC1 LM285DR-2-5第八端与电阻R6，R7一端并与MOSFET D4漏级相连接，电阻R6另一端与D2阳极相连接，集成基准稳压IC1 LM285DR-2-5第四端与24V电源地相连接。
二阶RC滤波电路：电阻R7,电阻R8,电容C2,电容C3组成的二阶RC滤波电路；电容C2的正极与电阻R7一端相连接，电容C3的正极与电阻R8一端相连接并与运算放大器IC2ALM2904M第三端相连接，电阻R7另一端与集成基准稳压IC1 LM285-2-5第八端相连接，电阻R8另一端与电阻R7,电容C2的正极相连接，电容C2与电容C3的负极均与24V地相连接。
电压镜像电路：运算放大器IC2A LM2904M,电阻R9,电阻R10，三极管D6组成，运算放大器IC2A LM2904M第三端与电阻R8一端并与电容C3正极相连接，运算放大器IC2ALM2904M第一端与三极管D6基极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第二端与电阻R10一端并与三极管D6发射极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第八端与稳压管D2阳极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第四端与24V电源地相连接；三极管D6集电极与电阻R9一端并与运算放大器IC2B LM2904M第五端相连接；电阻R10另一端与24V电源地相连接；电阻R9另一端与稳压管D5的阳极并与电阻R11一端相连接。
电压—电流转换及电流输出电路：运算放大器IC2B LM2904M,电阻R11,电阻R12，三极管D7,三极管D8，电容C5组成；运算放大器IC2B LM2904M第六端与电阻R11一端并与三极管D8 HM772发射极相连接，运算放大器IC2B LM2904M第五端与电阻R9一端并与三极管D6集电极相连接，运算放大器IC2B LM2904M第七端与电阻R12一端相连接；三极管D7集电极与三极管D8集电极相连接并与电容C5一端相连接并最终与电流输出端相连接，三极管D7集电极与三极管D8 HM772基极相连接；电容C5另一端与24V电源地相连接。
模块输出侧电源电压降压电路：稳压二极管D2，利用稳压二极管D2的压降来实现降压功能。稳压二极管D2的阴极与24V电源相连接，稳压二极管D2的阳极与电阻R3,R4,R6,电容C4，运算放大器IC2A LM2904M第八端，稳压二极管D5阴极相连接，电容C4另一端与24V电源地相连接。
输出限压电路：稳压二极管D5，稳压二极管D5的阴极与稳压二极管D2阳极并与电阻R3,电阻R4,电阻R6，电容C4一端相连接，稳压二极管D5阳极与电阻R9,电阻R11一端相连接。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例的说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种通用隔离型变送模块，其特征在于，包括PWM信号缓冲驱动电路（1）、PWM信号隔离传输电路（2）、PWM信号波形整形电路（3）、PWM斩波电路（4）、基准电压源电路（5）、二阶RC滤波电路（6）、电压镜像电路（7）、电压—电流转换及电流输出电路（8）、模块输出侧电源电压降压电路（9）、输出电压限压电路（10）和印刷线路板（11），以上所述的十一个零件按顺序通过导线依次进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种通用隔离型变送模块，其特征在于，所述PWM信号缓冲驱动电路（1）由单非门电路D1,电容C1组成；单非门电路D1 NL17SZ04DFT2第一脚是空脚，第二脚是信号输入端，第三脚是电源地，第四脚是反向输出端与C1电容的第一端相连并与Q1KPS28010D第二脚相连，第五脚与电源正极VCC连接；C1第二端与地相连。
3.根据权利要求1所述的一种通用隔离型变送模块，其特征在于，所述PWM信号波形整形电路（3）是由三极管D3,电阻R2组成，三极管D3基极与电阻R2一端相连接同，三极管D3集电极与24V电源地相连接，三极管D3发射极与斩波电路的电阻R4,电阻R5的一端并与MOSFETD4栅极相连接。
4.根据权利要求1所述的一种通用隔离型变送模块，其特征在于，所述电压镜像电路（7）是由运算放大器IC2A LM2904M,电阻R9,电阻R10，三极管D6组成，运算放大器IC2ALM2904M第三端与电阻R8一端并与电容C3正极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第一端与三极管D6基极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第二端与电阻R10一端并与三极管D6发射极相连接，运算放大器IC2A LM2904M第八端与稳压管D2阳极相连接，运算放大器IC2ALM2904M第四端与24V电源地相连接；三极管D6集电极与电阻R9一端并与运算放大器IC2BLM2904M第五端相连接；电阻R10另一端与24V电源地相连接；电阻R9另一端与稳压管D5的阳极并与电阻R11一端相连接。
5.根据权利要求1所述的一种通用隔离型变送模块，其特征在于，所述电压—电流转换及电流输出电路（8）是由运算放大器IC2B LM2904M,电阻R11,电阻R12，三极管D7,三极管D8，电容C5组成；运算放大器IC2B LM2904M第六端与电阻R11一端并与三极管D8 HM772发射极相连接，运算放大器IC2B LM2904M第五端与电阻R9一端并与三极管D6集电极相连接，运算放大器IC2B LM2904M第七端与电阻R12一端相连接；三极管D7集电极与三极管D8集电极相连接并与电容C5一端相连接并最终与电流输出端相连接，三极管D7集电极与三极管D8HM772基极相连接；电容C5另一端与24V电源地相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180608 |