CN209692732U - 直流信号转换隔离器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流信号转换隔离器，包括用于采集输入信号并对输入信号进行放大并输出放大信号的信号采集/放大单元、与信号采集/放大单元相连接而用于将放大信号转换为4‑20mA的电流环信号的信号转换单元、与信号转换单元相连接而用于隔离输出电流环信号的信号隔离单元、与信号隔离单元相连接而用于输出电流环信号以及接收和转换工作电压并提供给信号隔离单元的输出及电源稳压单元。本实用新型采用输出回路供电方案，无需外部独立电源供电，直接通过输出回路获取工作电源，能耗低，解决了与采集设备有源输入端的信号冲突问题，且简化了现场布线的工作量，节约系统成本，能耗低，抗干扰能力强。

Description

直流信号转换隔离器

技术领域

本实用新型属于电子器件领域，具体涉及一种直流信号转换隔离器。

背景技术

随着工业自动化的发展，工业现场会使用不同的自动化仪表、执行机构和检测设备等组成大大小小的检测与控制系统，它们之间需传递各种各样信号。系统工作过程中，会出现“接地环路”造成的信号传输失真问题、不同信号之间的相互干扰和信号不匹配问题、高频脉冲信号导致的电磁干扰问题等。这些问题会导致系统不稳定、误操作、甚至无法工作。为了有效解决上述问题，系统中通常需要使用信号隔离器。

信号隔离器利用光电隔离或电磁隔离切断输入和输出信号之间的电气连接，同时增加滤波、信号转换等功能，来保障系统稳定可靠运行。

如附图1所示，传统的信号隔离器的功能一般包含信号采集/放大单元、信号转换单元、信号隔离单元、信号输出单元，并包含独立的工作电源部分，分别为各单元供电。这种传统方案无法满足现场信号接收设备输入端为有源模式的情况，比如PLC的AI模块为二线制4-20mA模式（带配电电压），而隔离器输出信号为有源4-20mA信号，无法接入到PLC的AI通道；特别是一些改造项目，原系统中信号采集输入端的电压无法去除，这时传统方案隔离器无法使用；另外，传统方案的隔离器需要外部供电，而大多数控制室与现场距离较远，独立供电就需单独布线，增加了工作量，并增加了项目成本。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种适用于信号接收设备输入端为有源模式的情况，且能够降低工作量和成本的直流信号转换隔离器。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种直流信号转换隔离器，包括用于采集输入信号并对所述输入信号进行放大并输出放大信号的信号采集/放大单元、与所述信号采集/放大单元相连接而用于将所述放大信号转换为4-20mA的电流环信号的信号转换单元、与所述信号转换单元相连接而用于隔离输出所述电流环信号的信号隔离单元、与所述信号隔离单元相连接而用于输出所述电流环信号以及接收和转换工作电压并提供给所述信号隔离单元的输出及电源稳压单元。

所述输出及电源稳压单元包括用于连接所述信号隔离单元的一对第一连接端子、用于输出所述电流环信号并接收所述工作电压的一对第二连接端子、设置于所述第二连接端字与所述第一连接端子之间的线性稳压电路。

所述线性稳压电路包括稳压器U1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1和所述电阻R2串联后连接在一对所述第一连接端子之间，所述稳压器U1的V_o引脚与一个所述第一连接端子相连接，所述稳压器U1的V₁引脚与所述电阻R3的第一端相连接，所述电阻R3的第二端与一个所述第二连接端子相连接，所述电阻R1和所述电阻R2串联的中点与所述稳压器U1的G引脚相连接，所述三极管Q1的基极与所述稳压器U1的V₁引脚相连接，所述三极管Q1的集电极与所述稳压器U1的V_o引脚相连接，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R3的第二端相连接。

所述输出及电源稳压单元还包括保险丝F1、浪涌保护器Z1、防接反二极管D2和滤波电容C1；一个所述第二连接端子经所述保险丝F1、所述防接反二极管D2而连接至所述电阻R3的第二端，所述浪涌保护器Z1的正极与另一个所述第二连接端子相连接，所述浪涌保护器Z1的负极连接至所述保险丝F1与所述防接反二极管D2之间，所述滤波电容C1连接在所述电阻R3的第二端和另一个所述第二连接端子之间。

所述信号隔离单元包括信号隔离芯片M1、设置于所述信号转换单元与所述信号隔离芯片M1之间的信号滤波电路、设置于所述输出及电源稳压单元与所述信号隔离芯片M1之间的电源滤波电路。

所述信号滤波电路包括电感L303、电感L304、电容C12，所述电感L303的一端形成所述信号隔离单元的一个信号输入端，所述电感L304的一端形成所述信号隔离单元的另一个信号输入端，所述电感L303的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的out+引脚，所述电感L304的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的out-引脚，所述电容C12连接在所述信号隔离单元的两个信号输入端之间。

所述电源滤波电路包括电感L1、电感L2和电容C3，所述电感L1的一端形成所述信号隔离单元的一个电源输入端，所述电感L2的一端形成所述信号隔离单元的另一个电源输入端，所述电感L1的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的in+引脚，所述电感L2的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的in-引脚，所述电容C3连接在所述信号隔离单元的两个电源输入端之间。

所述信号采集/放大单元包括依次连接的高频滤波电路、分压电路、低频滤波电路、放大电路。

所述信号转换单元包括依次连接的基准电压模块、分压电路、RC滤波电路、跟随放大器，还包括分别与所述跟随放大器和所述信号采集/放大单元相连接的加法器、与所述加法器相连接的恒流源输出电路。

所述信号转换单元还包括稳压电路。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型采用输出回路供电方案，无需外部独立电源供电，直接通过输出回路获取工作电源，能耗低，解决了与采集设备有源输入端的信号冲突问题，且简化了现场布线的工作量，节约系统成本，能耗低，抗干扰能力强。

附图说明

附图1为现有的信号隔离器的原理框图。

附图2为本实用新型的直流信号转换隔离器的原理框图。

附图3为本实用新型的直流信号转换隔离器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：如附图2和附图3所示，一种直流信号转换隔离器，包括依次连接的信号采集/放大单元、信号转换单元、信号隔离单元以及输出及电源稳压单元。

信号采集/放大单元用于采集输入信号并对输入信号进行放大并输出放大信号。信号采集/放大单元包括依次连接的高频滤波电路、分压电路、低频滤波电路、放大电路。输入信号经浪涌保护器Z301后，进入由电感L301、L302及电容C301组成的LC高频滤波后，再进入电阻R300和R301组成的分压电路，再进入由电阻R303和电容C302组成的RC低频滤波电路，最后进入由放大器U305、电容C305、电阻305和R306、电位计PS1组成的放大电路，输出0~0.8V信号。

信号转换单元与信号采集/放大单元相连接，其用于将放大信号转换为4-20mA的电流环信号。信号转换单元包括依次连接的基准电压模块、分压电路、RC滤波电路、跟随放大器，还包括分别与跟随放大器和信号采集/放大单元相连接的加法器、与加法器相连接的恒流源输出电路。5V信号经基准电压模块U304输出为2.5V，进入由电阻R309和R310、电位计PZ1组成的分压电路，再经过由电阻R313和电容C306组成的RC滤波电路输出0.4V电压信号，该信号经跟随放大器U307后与0~0.8V信号进入由电阻R307、R308、R322组成的加法器后输出0.4~1.2V信号,该信号进入由放大器U306、电阻R315、R316、R317、R311、R321、R318、R319、三极管Q301、Q302组成的恒流源输出电路，将信号转换为4-20mA的电流环信号。信号转换单元还包含了一个由稳压器U301、电容C311、C313、R102组成的稳压电路，输出5V电压供各集成芯片使用。

信号隔离单元与信号转换单元相连接，其用于隔离输出电流环信号。信号隔离单元包括信号隔离芯片M1、设置于信号转换单元与信号隔离芯片M1之间的信号滤波电路、设置于输出及电源稳压单元与信号隔离芯片M1之间的电源滤波电路。信号滤波电路包括电感L303、电感L304、电容C12，电感L303的一端形成信号隔离单元的一个信号输入端，电感L304的一端形成信号隔离单元的另一个信号输入端，电感L303的另一端连接至信号隔离芯片M1的out+引脚，电感L304的另一端连接至信号隔离芯片M1的out-引脚，电容C12连接在信号隔离单元的两个信号输入端之间。电源滤波电路包括电感L1、电感L2和电容C3，电感L1的一端形成信号隔离单元的一个电源输入端，电感L2的一端形成信号隔离单元的另一个电源输入端，电感L1的另一端连接至信号隔离芯片M1的in+引脚，电感L2的另一端连接至信号隔离芯片M1的in-引脚，电容C3连接在信号隔离单元的两个电源输入端之间。电流环信号经由电容C32、电感L303、L304滤波后进入4-20mA电流1：1隔离模块M01，隔离模块的另一端为从输出单元过来并经电容C3、电感L1、L2滤波后的信号。

输出及电源稳压单元与信号隔离单元相连接，其用于输出电流环信号以及接收和转换工作电压并提供给信号隔离单元。输出及电源稳压单元包括用于连接信号隔离单元的一对第一连接端子、用于输出电流环信号并接收工作电压的一对第二连接端子、设置于第二连接端字与第一连接端子之间的线性稳压电路。线性稳压电路包括稳压器U1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2和电阻R3，电阻R1和电阻R2串联后连接在一对第一连接端子之间，稳压器U1的V_o引脚与一个第一连接端子相连接，稳压器U1的V₁引脚与电阻R3的第一端相连接，电阻R3的第二端与一个第二连接端子相连接，电阻R1和电阻R2串联的中点与稳压器U1的G引脚相连接，三极管Q1的基极与稳压器U1的V₁引脚相连接，三极管Q1的集电极与稳压器U1的V_o引脚相连接，三极管Q1的发射极与电阻R3的第二端相连接。输出及电源稳压单元还包括保险丝F1、浪涌保护器Z1、防接反二极管D2和滤波电容C1；一个第二连接端子经保险丝F1、防接反二极管D2而连接至电阻R3的第二端，浪涌保护器Z1的正极与另一个第二连接端子相连接，浪涌保护器Z1的负极连接至保险丝F1与防接反二极管D2之间，滤波电容C1连接在电阻R3的第二端和另一个第二连接端子之间。第二连接端子输出4-20mA信号，同时接收工作电压，电压进入后经保险丝F1及浪涌保护器Z1后，经过防接反二极管D2，经电容C1滤波后，进入由稳压器U1、三极管Q1、电阻R3、R1、R2组成的线性稳压电路，输出10V稳定电压供前级电路使用。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流信号转换隔离器，其特征在于：所述直流信号转换隔离器包括用于采集输入信号并对所述输入信号进行放大并输出放大信号的信号采集/放大单元、与所述信号采集/放大单元相连接而用于将所述放大信号转换为4-20mA的电流环信号的信号转换单元、与所述信号转换单元相连接而用于隔离输出所述电流环信号的信号隔离单元、与所述信号隔离单元相连接而用于输出所述电流环信号以及接收和转换工作电压并提供给所述信号隔离单元的输出及电源稳压单元。

2.根据权利要求1所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述输出及电源稳压单元包括用于连接所述信号隔离单元的一对第一连接端子、用于输出所述电流环信号并接收所述工作电压的一对第二连接端子、设置于所述第二连接端字与所述第一连接端子之间的线性稳压电路。

3.根据权利要求2所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述线性稳压电路包括稳压器U1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1和所述电阻R2串联后连接在一对所述第一连接端子之间，所述稳压器U1的V_o引脚与一个所述第一连接端子相连接，所述稳压器U1的V₁引脚与所述电阻R3的第一端相连接，所述电阻R3的第二端与一个所述第二连接端子相连接，所述电阻R1和所述电阻R2串联的中点与所述稳压器U1的G引脚相连接，所述三极管Q1的基极与所述稳压器U1的V₁引脚相连接，所述三极管Q1的集电极与所述稳压器U1的V_o引脚相连接，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R3的第二端相连接。

4.根据权利要求3所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述输出及电源稳压单元还包括保险丝F1、浪涌保护器Z1、防接反二极管D2和滤波电容C1；一个所述第二连接端子经所述保险丝F1、所述防接反二极管D2而连接至所述电阻R3的第二端，所述浪涌保护器Z1的正极与另一个所述第二连接端子相连接，所述浪涌保护器Z1的负极连接至所述保险丝F1与所述防接反二极管D2之间，所述滤波电容C1连接在所述电阻R3的第二端和另一个所述第二连接端子之间。

5.根据权利要求1所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述信号隔离单元包括信号隔离芯片M1、设置于所述信号转换单元与所述信号隔离芯片M1之间的信号滤波电路、设置于所述输出及电源稳压单元与所述信号隔离芯片M1之间的电源滤波电路。

6.根据权利要求5所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述信号滤波电路包括电感L303、电感L304、电容C12，所述电感L303的一端形成所述信号隔离单元的一个信号输入端，所述电感L304的一端形成所述信号隔离单元的另一个信号输入端，所述电感L303的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的out+引脚，所述电感L304的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的out-引脚，所述电容C12连接在所述信号隔离单元的两个信号输入端之间。

7.根据权利要求5所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述电源滤波电路包括电感L1、电感L2和电容C3，所述电感L1的一端形成所述信号隔离单元的一个电源输入端，所述电感L2的一端形成所述信号隔离单元的另一个电源输入端，所述电感L1的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的in+引脚，所述电感L2的另一端连接至所述信号隔离芯片M1的in-引脚，所述电容C3连接在所述信号隔离单元的两个电源输入端之间。

8.根据权利要求1所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述信号采集/放大单元包括依次连接的高频滤波电路、分压电路、低频滤波电路、放大电路。

9.根据权利要求1所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述信号转换单元包括依次连接的基准电压模块、分压电路、RC滤波电路、跟随放大器，还包括分别与所述跟随放大器和所述信号采集/放大单元相连接的加法器、与所述加法器相连接的恒流源输出电路。

10.根据权利要求9所述的直流信号转换隔离器，其特征在于：所述信号转换单元还包括稳压电路。