CN209803233U - 一种兼容电流和电压输入的信号采集电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种兼容电流和电压输入的信号采集电路，包括：信号输入端、采样电阻R_S、滤波电容C₁、电压跟随电路、同相比例放大电路、滤波电容C₂及信号输出端；信号输入端分别与采样电阻R_S、滤波电容C₁及电压跟随电路的输入端连接，采样电阻R_S的另一端和滤波电容C₁的另一端均接地，电压跟随电路的输出端与同相比例放大电路的输入端连接，同相比例放大电路的输出端分别与滤波电容C₂及所述信号输出端连接，滤波电容C₂的另一端接地。该信号采集电路可以完成±10V电压信号的采集，也可完成0‑20mA电流信号的采集，可将采集的信号转换为0～2.5V范围的信号输出。

Description

一种兼容电流和电压输入的信号采集电路

技术领域

本实用新型涉及信号采集电路技术领域，具体涉及一种兼容电流和电压输入的信号采集电路。

背景技术

目前，工控领域所使用的传感器和仪表的输出信号形式一般为标准的4-20mA电流信号，或1-5V电压信号，但有些情况下，还会存在其它电流或电压范围的信号，比如0-20mA、0-10V等。通常，工业现场会使用PLC(Programmable Logic Controller，可编程控制器件)或其它采集模块，对这些传感器输出的信号进行采集。但是，现有的PLC或其它采集模块通常一个采集通道只能完成一种性质信号的采集(电流或电压中的一种)，而且输入信号的范围有限。这就要求在使用时必须事先知道传感器的类型、特性、信号输出形式等多种信息，大大降低了采集模块的通用性，同时增加了接线的复杂性。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种兼容电流和电压输入的信号采集电路，用于同时兼容工控标准电流和电压信号，使得采集模块在使用时无需考虑输入信号的形式，只要信号范围符合要求即可直接接入。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种兼容电流和电压输入的信号采集电路，包括：信号输入端、采样电阻R_S、滤波电容C₁、电压跟随电路、同相比例放大电路、滤波电容C₂及信号输出端；所述信号输入端分别与采样电阻R_S、滤波电容C₁及电压跟随电路的输入端连接，采样电阻R_S的另一端和滤波电容C₁的另一端均接地，电压跟随电路的输出端与同相比例放大电路的输入端连接，同相比例放大电路的输出端分别与滤波电容C₂及所述信号输出端连接，滤波电容C₂的另一端接地；所述同相比例放大电路，用于将0-20mA或0-10V信号输入转换为1.25V-2.5V范围的信号输出，或者，将-10V-0信号输入转换为0-1.25V范围的信号输出。

可选的，所述电压跟随电路由运算放大器F₁构成，F₁的正极输入端连接所述信号输出端，F₁的负极输入端连接其输出端。

可选的，所述同相比例放大电路包括：运算放大器F₂、电阻R₁、R₂、R₃和R_f以及-10V电压源；运算放大器F₂的正极输入端通过电阻R₂与F₁的输出端连接；运算放大器F₂的负极输入端通过电阻R₁与-10V电压源连接；电阻R₃的一端与F₂的正极输入端连接，另一端接地；电阻R_f的一端与F₂的负极输入端连接，另一端与F₂的输出端连接。

可选的，电阻R₁＝R₂＝12K欧姆，电阻R₃＝R_f＝1.5K欧姆，电阻R_S＝0.5K欧姆；滤波电容C₁＝C₂＝0.1uF。

可选的，所述信号采集电路还包括稳压二极管D₁，其负极与所述信号输出端连接，其正极接地。

可选的，稳压二极管D₁的稳定电压Uz＝3.0V。

从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

该信号采集电路包括采样电阻、一级由运算放大器构成的电压跟随电路，以及另一级由运算放大器构成的同相比例放大电路；该信号采集电路的输入端为传感器，输出端为AD(Analog-to-Digital Convert，模数)转换器的采样通道，因此该电路可作为信号采集模块的一部分。

该信号采集电路既可以完成电压信号的采集，也可以完成电流信号的采集；其能够将0-20mA电流信号和0-10V电压信号输入转换为1.25V-2.5V范围的信号输出，以及，将-10V-0电压信号输入转换为0-1.25V范围的信号输出；而0～2.5V范围符合绝大多数AD转换模块的电压范围要求。可见，该信号采集电路可以完成0-20mA电流输入信号和±10V电压输入信号的采集，相对于现有的采集模块，一方面扩展了采集信号的类型，另一方面，扩大了采集信号的输入范围。

进一步的，输出的信号经过电容C₂滤波后输入到AD采集通道中，稳压二极管D₁可以起到保护作用，避免偶然出现的尖峰电压对于采集通道的破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型实施例提供的信号采集电路的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面通过具体实施例，分别进行详细的说明。

请参考图1，本实用新型实施例给出一种可以同时兼容0-20mA电流和±10V电压输入的信号采集电路。该信号采集电路包括：信号输入端、采样电阻R_S、滤波电容C₁、电压跟随电路、同相比例放大电路、滤波电容C₂及信号输出端；

来自传感器的输入信号自信号输入端进入，经过电容C₁滤波后，首先进入由运算放大器F₁构成的电压跟随电路，这样可以有效提高输入阻抗和降低输出阻抗，同时电压跟随电路可以起到很好的隔离作用，但不会改变信号幅值。

然后，信号经过由运算放大器F₂等元件构成的同相比例放大电路，该电路可将0-20mA和0-10V信号输入转换为1.25V-2.5V范围的信号输出，将-10V-0信号输入转换为0-1.25V范围的信号输出。

同相比例放大电路输出的信号经过电容C₂滤波后到达信号输出端，可以作为输出信号输入到AD采集通道中。

其中，稳压二极管D₁起到保护作用，可以避免偶然出现的尖峰电压对于采集通道的破坏。

在图1中，由于理想集成运放的净输入电流为零，因此有i_f＝i₁，即式(1)成立：

其中，U_N和U_P分别是运算放大器F₂的负极输入端和正极输入端的电压，U_o是信号输出端的电压。

将式(1)化简后可得：

根据运算放大器同相和反相输入端虚短原理可知U_P＝U_N＝U_i，U_i是运算放大器F₁的正极输入端的电压，因此式(2)可变为式(3)：

可选的，电阻R1＝R2＝12K欧姆，R3＝Rf＝1.5K欧姆，RS＝0.5K欧姆。

当输入信号为0-20mA电流信号时，由于采样电阻R_s的作用，0-20mA电流信号可转换为0-10V的电压信号，这样0-20mA电流信号和0-10V电压信号可归结为同一种情况，-10V-0电压信号为另一种情况。由式(3)可以看出，当输入信号，即U_i＝0时，输出信号U_o＝1.25V；当U_i＝10V时，输出信号U_o＝2.5V；当U_i＝-10V时，输出信号U_o＝0。

也就是说，输出信号的范围为0～2.5V，该范围符合绝大多数AD转换模块的电压范围要求。由此可见，图1所示的信号采集电路可以完成0-20mA电流和±10V电压输入信号的采集。

上述信号采集电路的关键点在于：

1、本实用新型中的电路包括采样电阻、一级由运算放大器构成的电压跟随电路，以及另一级由运算放大器构成的同相比例放大电路。

2、本实用新型中电路的输入端为传感器，输出端为AD的采样通道，因此该电路可作为信号采集模块的一部分。

基于以上特征，本实用新型的信号采集电路可以同时兼容0-20mA电流和±10V电压输入信号，而目前现有采集模块的输入信号只能是一种固定形式(电流或电压)，且输入范围较小。可见，本实用新型技术方案较好的解决了现有技术问题。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种兼容电流和电压输入的信号采集电路，其特征在于，包括：

信号输入端、采样电阻R_S、滤波电容C₁、电压跟随电路、同相比例放大电路、滤波电容C₂及信号输出端；

所述信号输入端分别与采样电阻R_S、滤波电容C₁及电压跟随电路的输入端连接，采样电阻R_S的另一端和滤波电容C₁的另一端均接地，电压跟随电路的输出端与同相比例放大电路的输入端连接，同相比例放大电路的输出端分别与滤波电容C₂及所述信号输出端连接，滤波电容C₂的另一端接地；

所述同相比例放大电路，用于将0-20mA或0-10V信号输入转换为1.25V-2.5V范围的信号输出，或者，将-10V-0信号输入转换为0-1.25V范围的信号输出。

2.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，

所述电压跟随电路由运算放大器F₁构成，F₁的正极输入端连接所述信号输出端，F₁的负极输入端连接其输出端。

3.根据权利要求2所述的信号采集电路，其特征在于，所述同相比例放大电路包括：运算放大器F₂、电阻R₁、R₂、R₃和R_f以及-10V电压源；

运算放大器F₂的正极输入端通过电阻R₂与F₁的输出端连接；

运算放大器F₂的负极输入端通过电阻R₁与-10V电压源连接；

电阻R₃的一端与F₂的正极输入端连接，另一端接地；

电阻R_f的一端与F₂的负极输入端连接，另一端与F₂的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的信号采集电路，其特征在于，

电阻R₁＝R₂＝12K欧姆，电阻R₃＝R_f＝1.5K欧姆，电阻R_S＝0.5K欧姆；

滤波电容C₁＝C₂＝0.1uF。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的信号采集电路，其特征在于，

还包括稳压二极管D₁，其负极与所述信号输出端连接，其正极接地。

6.根据权利要求5所述的信号采集电路，其特征在于，

稳压二极管D₁的稳定电压Uz＝3.0V。