CN210691137U - 一种隔离式数控恒流源模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种隔离式数控恒流源模块，属于信号隔离传输技术领域。本实用新型包括数字信号隔离单元、小信号放大单元、核心处理单元、电流调整稳压单元和采样单元；数字信号隔离单元负责将源设备和本实用新型所述隔离式数控恒流源模块的数字通信链路进行电气隔离；小信号放大单元对采样信号进行放大；核心处理单元负责输出PWM信号来控制电流调整稳压单元产生与设定值相匹配的电流；电流调整稳压单元从目标设备窃取能量并调整返回目标设备的电流；采样单元对返回目标设备的电流进行采样；本实用新型所述的信号隔离电路及变送器无需独立供电电源便可正常工作，其电路结构简单，易于集成，便于生产。

Description

一种隔离式数控恒流源模块

技术领域

涉及信号隔离领域，具体而言涉及一种隔离式数控恒流源模块。

背景技术

在当前许多工业现场都涉及到使用4~20mA直流电流的情况，而且很多实验室也会涉及到使用恒流源的情况，而使用的设备并不具备4~20mA信号的输出能力，需要外接专用的DA模块，通过数字通信的方式控制DA模块产生需要的电流；而目前市场上的信号隔离器普遍存在如下问题：

1. 不具备隔离功能；

2. 接线复杂，体积大，不利于集成；

3. 性价比偏低。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的以上问题，提出了一种可使用常见低价元器件实现的隔离式数控恒流源模块，有效提升了同类产品的性价比，且其电路仅占用很小的PCB面积，非常利于集成。

为了达到以上目的，本实用新型采用了如图1、图2所示的技术方案，描述如下：

一种隔离式数控恒流源模块，其包括：

数字信号隔离单元、小信号放大单元、核心处理单元、电流调整稳压单元和采样单元。

所述数字信号隔离单元负责隔离源设备与核心处理单元的数字通信信号。

所述源设备指通过数字信号向本实用新型所述的隔离式数控恒流源模块发送设定电流值的设备，下同。

所述电流调整稳压单元负责从目标设备窃取能量并实现稳压输出，用以为整个恒流源电路的隔离后端电路供电，其电压输出端连接到数字信号隔离单元、核心处理单和小信号放大单元的相应电源端口；所述电流调整稳压单元还负责根据核心处理单元提供的PWM信号调整从目标设备汲取的电流，其PWM信号输入端接核心处理单元的相应输出端。

所述的隔离后端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到目标设备电压输出端口和模拟信号输入端口之间的所有电路，下同。

所述隔离后端电路的最小正常工作电流之和为本实用新型所述隔离式数控恒流源模块的最大允许工作电流，也是本实用新型所述的隔离式数控恒流源模块的最小输出电流，目标设备的所需的最小有效电流值应不小于此最小输出电流。

所述目标设备指接收承载数据的模拟信号的设备，下同。

所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大信号输出端接核心处理单元的模拟信号输入端。

所述核心处理单元至少包括1个模拟信号输入端、1个PWM信号输出端和1组数字信号通信端口，其负责将从数字信号隔离单元接收到的数字信号转换为相应的PWM信号，并根据小信号放大单元输出的模拟电压信号及内部的温度传感器数据调整PWM信号的占空比，以达到稳定输出设定电流的目的。

所述采样单元负责对流过整个隔离后端电路的电流进行采样，并将采样信号输出到小信号放大单元的相应输入端。

本实用新型的有益效果

1) 利用本实用新型所描述的隔离式数控恒流模块所用元器件价格低廉、数量不多，且均有小封装形式，如此便大大节约了成本和空间，便于小型化、集成化。

2) 本实用新型所描述的隔离式数控恒流模块，可实现数字信号到模拟信号的隔离传输，且其不需要单独的供电电源。

3) 本实用新型所描述的隔离式数控恒流模块的输出侧以二线制电流环的方式串入目标设备的电源通道和信号采集通道之间，非常便于安装，且其产生的压降非常低，也就是电压适用范围更宽。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还能根据这些附图获得其他的附图。

图1：为本实用新型所述的隔离式数控恒流源模块的原理框图及应用说明框图；

图2：为本实用新型所述的隔离式数控恒流源模块的顶层电路原理图；

图3：为本实用新型所述的数字信号隔离单元的电路原理图；

图4：为本实用新型所述的小信号放大单元的电路原理图；

图5：为本实用新型所述的核心处理单元的电路原理图；

图6：为本实用新型所述的电流调整稳压单元的电路原理图；

图7：为本实用新型所述的采样单元的电路原理图；

图8：为本实用新型所述的信号转换传输流程图；

其中：

图1中的实线箭头示意电流流动，点画线箭头示意信号流动，虚线框代表外部设备；

在图1中，源设备指发送承载数据的信号的设备，目标设备指接收承载数据的信号的设备。

具体实施方式

关于本实用新型创造的详细内容及技术说明，现以实施例来作进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅为用于示例说明，而不应被解释为本实用新型创造实施的限制。

参考图1所示一种隔离式数控恒流源模块的原理框图及应用说明框图，包括数字信号隔离单元、电流调整稳压单元、小信号放大单元、核心处理单元和采样单元。

如图1所示，整个隔离后端电路串接于目标设备的电源端和AI信号输入端，目标设备提供隔离后端电路工作所需要的电流Iout，其电流通路为：电流Iout首先经过所述的电流调整稳压单元，电流调整稳压单元会产生两个固定电压Uc和Ud，其中Uc用以维持数字信号隔离单元的工作，其大小需满足所述数字信号隔离单元的工作电压要求；所述固定电压Ud用以维持核心处理单元和小信号放大单元的工作，其大小需满足所述核心处理单元和小信号放大单元的工作电压要求；电流Iout最后经所述的采样单元流回目标设备的AI信号输入端，并在采样单元上产生一个电压值很小的采样电压UA，UA是一个与Iout呈线性关系的电压，其相对于所述的Ud呈现负压特性，为本实用新型所述隔离式数控恒流源模块的反馈源信号。

本实用新型所述隔离式数控恒流源模块的信号链路为：源设备输出的载有设定电流数据IdataS的数字信号经数字信号隔离单元传输至核心处理单元，所述核心处理单元根据IdataS产生相应占空比的PWM信号，用以控制电流调整稳压单元调整从目标设备汲取的电流Iout，而所述的与Iout成线性关系的采样电压UA也随之改变，然后所述的小信号放大单元将所述的负压采样信号UA转成正压并进行放大，其放大后的信号XUA送于电流调整稳压单元构成硬件负反馈通路，同时送于核心处理单元进行AD转换；所述核心处理单元将信号XUA转换成对应的数字值DA0，并根据内部温度传感器所采集的温度和设定的线性校准曲线对DA0进行温度补偿和线性修正，得到修正后的数字值DA，并根据与设定值IdataS进行比较的结果调整PWM信号的占空比，进而调整所述的电流Iout，如此周而复始，便可使Iout值稳定的与设定值IdataS相匹配，也就达到了用数字信号控制恒流源产生相应电流的目的，因源设备输出的数字信号与目标设备无直接的电气连接关系，因此也就达到了用数字信号隔离控制恒流源产生相应电流的目的；

为便于理解，本处使用一个实施例对本实用新型进行阐述，其电路结构均使用了层次化设计，将整套电路划分为两层：顶层和底层。顶层电路限定了各子单元电路的接口及各接口之间的衔接关系，底层则对各子单元电路分别进行了内部设计。

实施例：参考图2所示的一种隔离式数控恒流源模块的顶层电路原理图，其包括数字信号隔离单元、小信号放大单元、核心处理单元、电流调整稳压单元和采样单元，描述如下：

所述数字信号隔离单元的GND1端口、核心处理单元的GND端口、小信号放大单元的GND端口、电流调整稳压单元的GND端口和采样单元的Iin端口连接到一起，所述电流调整稳压单元的Vin端口连接到目标设备的电源输出正极端口，VCC端口连接到数字信号隔离单元的VCC1端口，VDD端口连接到核心处理单元的VDD端口和小信号放大单元的VDD端口，vf端口连接到核心处理单元的AFIN端口和小信号放大单元的AFOUT端口，PWMDA端口连接到核心处理单元的PWMOUT端口；所述核心处理单元的RX端口和TX端口分别连接到数字信号隔离单元的ROUT端口和TIN端口；所述小信号放大单元的AFIN端口以及所述采样单元的IOUT端口连接到目标设备的模拟信号输入端口。

所述目标设备所提供的电源电压需小于所述电流调整稳压单元所能承受的最大电压，且大于等于其内部采样电阻、所述电流调整稳压单元及采样单元的满量程压降之和，例如：所述目标设备的内部采样电阻为100欧，采样单元内阻为5欧，满量程输出电流为20mA，则满量程压降为2.1V，假设电流调整稳压单元的满量程压降最小为3V，能承受的最大电压为24V，则目标设备所提供的电源电压应该在5.1V~24V之间。

底层电路描述如下：

所述数字信号隔离单元由隔离芯片U1g、电阻R1g、电容C1g~C2g和二极管D1g组成；对外连接端口包括：由第一电源输入端口VCC1、发送输入端口TXIN、接收输出端口RXOUT及第一公共端口GND1组成的数字通信端口组甲和由第二电源输入端口VCC2、发送输出端口TXOUT、接收输入端口RXIN和第二公共端口GND2组成的数字通信端口组乙。

所述隔离芯片U1g的1脚接第一电源输入端口VCC1，2脚接接收输出端口RXOUT，3脚接发送输入端口TIN，4脚接第一公共端口GND1，5脚接第二公共端口GND2，6脚接发送输出端口TOUT，7脚接接收输入端口RIN，8脚接第二电源输入端口VCC2；所述二极管D1g的阳极接接收端输入端口RIN，阴极接所述隔离新U1g的8脚；所述电容C2g接于隔离芯片U1g的5脚与8脚之间；所述电容C1g接于隔离芯片U1g的1脚与4脚之间；所述电阻R1g接于隔离芯片U1g的1脚与3脚之间。

所述隔离芯片U1g的型号为：π122U31。

所述数字信号隔离单元中的数字通信端口乙使用信号线窃电的方式或者独立供电的方式获取能量，以供所述数字信号隔离单元内部相应的电路正常工作，使用信号线窃电的方式时，要求与之连接的数字信号源设备能够在相应的信号线上提供合适的电压和电流；

所述小信号放大单元由放大器U1f、电容C1f~C2f和电阻R1f~R2f组成；对外连接端口包括：电源输入正极端口VDD、公共端口GND、小信号输入端口AFIN和放大信号输出端口AFOUT。

所述放大器U1f的1脚和2脚接公共端口GND，3脚经电阻R1f接小信号输入端口AFIN，4脚经电阻接放大信号输出端口AFOUT，5脚接电源正极端口VDD；电容C2f接于放大器U1f的2脚与5脚之间；电阻R2f与电容C1f并联后接于放大器U1f的3脚与4脚之间。

所述放大器U1f需能够正常工作于小信号输入端口AFIN的电平比电源负端口VS-的电平低的情况，本实施例采用型号为TP5531U-CR的精密低压运放。

所述核心处理单元由微处理器U1h、电容C1h~C3h和电阻R1h~R2h组成；对外连接端口包括：电源正极端口VDD、公共端口GND、模拟信号输入端口AFIN、PWM信号输出端口PWMOUT，Uart发送信号端口TX和Uart接收信号端口RX。

所述微处理器U1h的1脚经电阻R1h接公共端口GND，4脚经电容C1h接公共端口GND，5脚接PWM信号输出端口PWMOUT，7脚经电阻R2h连接到模拟信号输入端口AFIN，9脚接公共端口GND，10脚接电源正极端口VDD，11脚接Uart发送信号端口TX，12脚接Uart接收信号端口RX；电容C2h接于所述微处理器U1h的7脚和9脚之间；电容C3h接于所述微处理器U1h的10脚和9脚之间。

所述微处理器U1h采用型号为STM32L011的低功耗单片机。

本实用新型所述核心处理单元应具有Uart异步通信功能、AD采样功能、PWM输出功能、温度检测功能及参数存储功能，因本实施例中所采用的微处理器具备以上全部功能，故所述核心处理单元在本实用新型的实例中仅为一片微处理器芯片及其完成工作所必须的外围电路。

所述电流调整稳压单元由放大器U1t、线性串联稳压源U2t、并联稳压源U3t、电阻R1t~R6t、电容C1t~C8t和P-MOS管Q1t组成；对外连接端口包括：电源输入正极端口Vin、电源输出第一端口VCC、电源输出第二端口VDD、反馈信号输入端口Vf、PWM电流调整信号输入端口PWMDA和公共端口GND。

所述线性稳压源U2t的电源输入引脚Vin接电源输入正极端口Vin，公共引脚GND接公共端口GND，电源输出引脚Vout接电源输出第一端口VCC、P-MOS管Q1t的源极和放大器U1t的5脚；所述放大器U1t的1脚经电阻R7t接到反馈信号输入端口Vf，2脚接公共端口GND，3脚经电阻R1f、R2f和R3f串联后接PWM电流调整信号输入端口PWMDA，4脚接P-MOS管Q1t的控制极；所述P-MOS管Q1t的漏极接电源输出第二端口VDD和并联稳压源U3t的阴极；所述并联稳压源U3t的阳极接公共端口GND；所述电阻R4t并接于P-MOS管Q1t的源极和漏极之间；所述电阻R5t并接于并联稳压源U3t的阴极和参考极之间；所述电阻R6t并接于并联稳压源U3t的阳极和参考极之间；所述电容C1t并接于线性串联稳压源U1t的电源输入脚Vin和公共引脚GND之间；所述电容C2t并接于放大器U2t的3脚和4脚之间；所述电容C3t并接于线性串联稳压源U1t的电源输出脚Vout和公共引脚GND之间；所述电容C4t并接于放大器的3脚和2脚之间；所述电容C5t并接于电阻R1t与R2t的节点和公共端口GND之间；所述电容C6t并接于电阻R3t与R2t的节点和公共端口GND之间；所述电容C7t并接于并联稳压源U3t的阴极和公共端口GND之间；所述电容C8t并接于放大器的1脚和2脚之间。

所述线性串联稳压源U2t的耐压值应尽可能大，最小压降应尽可能小，本实施例采用的型号为HT7550。

所述并联稳压源U3t的最大允许通过电流应不低于本实用新型所述隔离式数控恒流源模块允许的满量程输出电流，最小稳压维持电流应尽可能小，本实施例采用型号为AZ432的精密稳压芯片。

所述采样单元由电阻R1y和电容C1y组成；对外连接端口包括电流输入端口IIN和电流输出端口IOUT。

所述电阻R1y和电容C1y并联后接于电流输入端口IIN和电流输出端口IOUT之间。

所述电阻R1y采用高精度低温漂电阻，其阻值应远远小于小信号放大单元中的电阻R1f。

本实用新型的工作原理：

使用双运放构成V/I变换电路，其中第一个运放A1搭建电流调整电路，第二个运放A2搭建负压反馈电路；使用微处理器接收带有设定电流值IdataS的外部数字信号并转换成相应的PWM信号，使该PWM信号通过低通滤波器后便可产生相应的参考电压信号Vdata1，V/I变换电路中的第一个运放及匹配电路构成电流调整电路，其根据参考电压信号Vdata1产生相应的电流信号Idata1，再加上整个电路自身的消耗电流Idata0，便是流过该电路的总电流Idata，即Idata=Idata0+Idata1。

然后将采样电阻R1y至于公共端之下，也就是在采样电阻的另一端产生负压，这样便可确保电路中所有的电流，也就是Idata几乎全部流过采样电阻，便会产生一个电压值很小的反馈信号Vf（其相对于公共端呈负极性），将该电压通过一个远远大于采样电阻R1y的电阻R1f连接到第二个运放A2的负输入端使其放大N倍，得到反馈电压Vaf，并送到微处理器进行AD转换，得到相应的电压数字值Vdataf，微处理器再根据Vdataf计算相应的电流Idataf，公式为：Idataf=k*Vdataf+b，其中k、b为事先校准好的线性系数。

综合图4和图7的电路图可以看到，整个隔离后端电路的电流全部经采样电阻R1y和反馈电阻R1f流回目标设备，而R1f远远小于R1y，所以流过R1y的电流可忽略不计，便有Idataf=Idata0+Idata1；而Idata1是由微处理器控制的，固只要按照图8的控制流程编写相应的微处理器程序，令微处理器实时计算Idataf的值，并根据Idataf的值调整PWM的占空比，进而调整Idata1，确保Idataf=IdataS，便可实现使用数字信号控制输出恒定电流的目的。

进一步的，因为隔离后端电路的自身工作电流也流过采样电阻R1y，可被实时监测，固整个隔离后端电路便可以电流环的方式串入目标设备相应的采样通道中，使用目标设备的电源，而不必单独设定电源接口，如此便可实现更友好的接线方式和匹配范围。

进一步的，在源设备与本实用新型所述的隔离式数控恒流源模块的数字通信链路中插入相应的数字信号隔离器，便可实现隔离功能，进而增加模块的抗干扰性能。

Claims (6)

1.一种隔离式数控恒流源模块，其特征在于其包括数字信号隔离单元、小信号放大单元、核心处理单元、电流调整稳压单元和采样单元；

所述数字信号隔离单元负责隔离源设备与核心处理单元的数字通信信号；

所述源设备指通过数字信号发送设定电流值的设备；

所述电流调整稳压单元负责从目标设备窃取能量并实现稳压输出，用以为整个恒流源电路的隔离后端电路供电，其电压输出端连接到数字信号隔离单元、核心处理单和小信号放大单元的相应电源端口；

所述电流调整稳压单元还负责根据核心处理单元提供的PWM信号调整从目标设备汲取的电流，其PWM信号输入端接核心处理单元的相应输出端；

所述的隔离后端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到目标设备电压输出端口和模拟信号输入端口之间的所有电路；

所述目标设备指接收承载数据的模拟信号的设备；

所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大信号输出端接核心处理单元的模拟信号输入端；

所述核心处理单元至少包括1个模拟信号输入端、1个PWM信号输出端和1组数字信号通信端口，其负责将从数字信号隔离单元接收到的数字信号变换为相应的PWM信号，并根据小信号放大单元输出的模拟电压信号及内部的温度传感器数据调整PWM信号的占空比，以达到稳定输出设定电流的目的；

所述采样单元负责对流过整个隔离后端电路的电流进行采样，并将采样信号输出到小信号放大单元的相应输入端。

2.根据权利要求1所述的隔离式数控恒流源模块，其特征在于所述数字信号隔离单元包括1组与核心处理单元通信的数字通信端口组甲和一组与源设备通信的数字通信端口组乙，此两个数字通信端口组间呈电气隔离特性，所述小信号放大单元包括1个电压输入端口、1个公共端口、1个采样信号输入端口和1个放大信号输出端口，所述核心处理单元至少包括1个电压输入端口、1个公共端口、1个模拟信号采样端口、1个PWM信号输出端口和1个数字信号通信端口组，所述电流调整稳压单元包括1个电压输入端口、1个或多个电压输出端口、1个PWM信号输入端口和一个公共端口，所述采样单元包括一个电流输入端口和一个电流输出端口；

所述电流调整稳压单元的电压输入端口连接到目标设备的电源输出端，1个或多个电压输出端口分别连接到所述数字信号隔离单元、核心处理单元和小信号放大单元的相应电压输入端，PWM信号输入端口连接到所述核心处理单元的PWM信号输出端口；所述所有单元的公共端口与所述采样单元的电流输入端口相连；所述采样单元的电流输出端口与目标设备的模拟信号输入端口和所述小信号放大单元的采样信号输入端口相连；所述小信号放大单元的放大信号输出端口与所述核心处理单元的模拟信号采样端口相连；所述核心处理单元的数字通信端口组与所述数字信号隔离单元的数字通信端口组甲一一对应相连；所述数字信号隔离单元的数字通信端口组乙与数字信号源设备相应的数字通信端口组一一对应相连。

3.根据权利要求2所述的隔离式数控恒流源模块，其特征在于其最小输出电流为信号隔离转换单元的最小正常工作电流，最大输出电流为其输出量程的最大值，目标设备相应的电源输出端应能够提供信号隔离转换单元所需的最大输出电流，且输出量程的最小值应不小于信号隔离转换单元的最小输出电流。

4.根据权利要求3所述的隔离式数控恒流源模块，其特征在于所述核心处理单元应具有AD采样功能、PWM输出功能、温度检测功能、相应的数字通信功能及参数存储功能，且必须包含一片微处理器芯片。

5.根据权利要求4所述的隔离式数控恒流源模块，其特征在于所述数字信号隔离单元中与数字信号源设备相连的数字通信端口乙使用信号线窃电的方式或者独立供电的方式获取能量，以供所述数字信号隔离单元内部相应的电路正常工作，使用信号线窃电的方式时，要求与之连接的数字信号源设备能够在相应的信号线上提供合适的电压和电流。

6.根据权利要求5所述的隔离式数控恒流源模块，其特征在于所述的电流调整稳压单元由放大器U1t、线性串联稳压源U2t、并联稳压源U3t、电阻R1t~R6t、电容C1t~C8t和P-MOS管Q1t组成；对外连接端口包括：电源输入正极端口Vin、电源输出第一端口VCC、电源输出第二端口VDD、反馈信号输入端口Vf、PWM电流调整信号输入端口PWMDA和公共端口GND；

所述线性串联稳压源U2t的电源输入引脚Vin接电源输入正极端口Vin，公共引脚GND接公共端口GND，电源输出引脚Vout接电源输出第一端口VCC、P-MOS管Q1t的源极和放大器U1t的5脚；所述放大器U1t的1脚经电阻R7t接到反馈信号输入端口Vf，2脚接公共端口GND，3脚经电阻R1f、R2f和R3f串联后接PWM电流调整信号输入端口PWMDA，4脚接P-MOS管Q1t的控制极；所述P-MOS管Q1t的漏极接电源输出第二端口VDD和并联稳压源U3t的阴极；所述并联稳压源U3t的阳极接公共端口GND；所述电阻R4t并接于P-MOS管Q1t的源极和漏极之间；所述电阻R5t并接于并联稳压源U3t的阴极和参考极之间；所述电阻R6t并接于并联稳压源U3t的阳极和参考极之间；所述电容C1t并接于线性串联稳压源U1t的电源输入脚Vin和公共引脚GND之间；所述电容C2t并接于放大器U2t的3脚和4脚之间；所述电容C3t并接于线性串联稳压源U1t的电源输出脚Vout和公共引脚GND之间；所述电容C4t并接于放大器的3脚和2脚之间；所述电容C5t并接于电阻R1t与R2t的节点和公共端口GND之间；所述电容C6t并接于电阻R3t与R2t的节点和公共端口GND之间；所述电容C7t并接于并联稳压源U3t的阴极和公共端口GND之间；所述电容C8t并接于放大器的1脚和2脚之间；

所述线性串联稳压源U2t的型号为HT7550；

所述并联稳压源U3t的型号为AZ432。

Images