CN211908769U - 工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及信号采集电路领域，特别涉及一种工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，用于采集工业现场总线多个电流环通讯通道输出的电流信号，包含：分别与多个电流环通讯通道中相应传输通道相连用于电路电压转换的多个电流电压转换电路；分别与多个电流电压转换电路相连用于阻抗匹配的多个初级电压跟随器；与多个初级电压跟随器相连用于集中并择一输出的多路复用器；与多路复用器相连用于阻抗匹配输出的电压跟随器；及与电压跟随器相连用于模数转换输出的ADC采集电路。本实用设计科学、合理，电路结构简单，减少电路器件数目和成本，可满足4~20mA电流环路通信方式在工业现场数据采集和控制类场景的应用需求，适合推广应用。

Description

工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路

技术领域

本实用新型涉及信号采集电路领域，特别涉及一种工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路。

背景技术

在工业现场，如果采集的信号经过调理后是电压信号并且进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线很容易受到噪声干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降，限制了传输的最大距离和信号质量；第三，设备不容易区分通信故障和无数据传输的状态。为了解决上述问题，出现了4~20mA电流环路这一工业现场总线。由于电流信号不容易受到空气中电磁波的干扰，并且采用电流源输出信号可以一定程度上克服通信线缆寄生电阻对信号的衰减问题。因此，4~20mA电流环路通信方式广泛应用于工业现场的数据采集和控制类应用场景。由于优点很多，4~20mA电流环路通信被广泛和大量的应用在工业自动化现场。对于多路4~20mA信号的采集成为了必须要解决的问题。

在常规的电路方案中，对多路4~20mA信号的采集需要多个ADC转换单元，每个单元独立的转换一路由采样电路采集为电压信号的4~20mA信号。ADC转换单元可以是独立的ADC芯片，或者集成了多通道ADC外设的微控制器。要采集和转换的4~20mA信号路数越多，就需要使用越多的ADC转换单元。无论是使用更多颗专用的ADC芯片或者使用拥有较多ADC输入通道的微处理器，都要付出更多的硬件成本，即，要采集和转换的4~20mA信号路数越多，由ADC单元带来的硬件成本也就越高。

发明内容

为此，本实用新型提供一种工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，设计科学、合理，降低多路4~20mA信号的采集和转换成本。

按照本实用新型所提供的设计方案， 一种工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，用于采集工业现场总线多个电流环通讯通道输出的电流信号，包含：分别与多个电流环通讯通道中相应传输通道相连用于电路电压转换的多个电流电压转换电路；分别与多个电流电压转换电路相连用于阻抗匹配的多个初级电压跟随器；与多个初级电压跟随器相连用于集中并择一输出的多路复用器；与多路复用器相连用于阻抗匹配输出的电压跟随器；及与电压跟随器相连用于模数转换输出的ADC采集电路。

作为本实用新型工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，进一步地，所述电流电压转换电路包含用于将多个电流环通讯通道中相应传输通道电流信号转换为电压信号的采样电阻。

作为本实用新型工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，进一步地，在所述电流电压转换电路和所述初级电压跟随器之间还串联有低通滤波器。

作为本实用新型工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，进一步地，所述多路复用器采用模拟多路复用器芯片或模拟开关芯片实现。

本实用新型的有益效果：

本实用新型结构简单，设计新颖、合理，使用前级和后级电压跟随器进行阻抗匹配，使前、后输入输出电路之间互不影响，模拟多路复用器或者模拟开关在接于两者之间，前后级电压跟随器之间基本没有电流流动，即由于电流流过模拟复用器或者模拟开关引起的信号衰减极小；同时由于初级电压跟随器输入阻抗极大，减小了ADC采集等信号处理对采样电阻采集精度的影响，有效减低多通道信号采集成本，电路结构简单、效率高，具有较强的推广应用价值。

附图说明：

图1为实施例中信号采集电路原理框图；

图2为实施例中信号采集电路原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本实用新型作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本实用新型的实施方式，但本实用新型的实施方式并不限于此。

本实用新型实施例，参见图1所示，提供一种工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，用于采集工业现场总线多个电流环通讯通道输出的电流信号，包含：分别与多个电流环通讯通道中相应传输通道相连用于电路电压转换的多个电流电压转换电路；分别与多个电流电压转换电路相连用于阻抗匹配的多个初级电压跟随器；与多个初级电压跟随器相连用于集中并择一输出的多路复用器；与多路复用器相连用于阻抗匹配输出的电压跟随器；及与电压跟随器相连用于模数转换输出的ADC采集电路。

为了降低多路4~20mA信号的采集和转换成本，可使用模拟多路复用器或者模拟开关芯片来完成多路4~20mA信号的切换，理论上无论需要采集多少路4~20mA信号，只要使用一个ADC转换单元即可完成设计，将ADC转换单元接通模拟多路复用器或者模拟开关的公共输出引脚，然后通过控制模拟多路复用器或者模拟开关芯片将输入引脚的信号依次选通到公共输出引脚，就可以实现一个ADC转换单元采集转换所有通道上的4~20mA信号的目的。本案实施例中，为了解决低成本的模拟多路复用器或者模拟开关内阻较大的问题，使用前级和后级电压跟随器，模拟多路复用器或者模拟开关在接于两者之间。由于电压跟随器输入阻抗极大，而输出阻抗极小，前后级电压跟随器之间基本没有电流流动，即由于电流流过模拟复用器或者模拟开关引起的信号衰减极小，在对精度要求不是非常苛刻的应用场景下，该信号衰减可以忽略不计。同时由于初级电压跟随器输入阻抗极大，减小了ADC采集等信号处理对采样电阻采集精度的影响。

作为本实用新型实施例中的工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，进一步地，所述电流电压转换电路包含用于将多个电流环通讯通道中相应传输通道电流信号转换为电压信号的采样电阻。通过特定阻值的采样电阻，将4~20mA的电流信号，转换为后端电路可以处理的电压信号。

作为本实用新型实施例中的工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，进一步地，在所述电流电压转换电路和所述初级电压跟随器之间还串联有低通滤波器。

作为本实用新型实施例中的工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，进一步地，所述多路复用器采用模拟多路复用器芯片或模拟开关芯片实现。前级电压跟随器和后级电压跟随器由集成运算放大器组成。模拟多路复用模块在前级电压跟随器和后级电压跟随器之间。利用前级电压跟随器和后级电压跟随器输入阻抗极大，输出阻抗极小的特点，减小模拟多路复用器模块中，模拟多路复用器或者模拟开关内阻对信号的衰减所用。电压跟随器输出的信号，由ADC采集电路进行模拟数字转换，进而得到每个通道的4~20mA信号的具体值。

参见图2所示，给出4通道4~20mA采集电路的实施例：

由接线端子P1、电阻R1 R2 、电容C2 C1、芯片U1A组成了一路4~20mA电路输入和前级信号处理模块。由U4组成多路模拟复用模块。由U3A组成次级电压跟随器。在本实施例中，运算放大器芯片U1A、U1B、U2A、U2B、U3A可使用成本较低的通用运放LM358。多路模拟复用芯片U4可使用成本较低的CD4052。

R2为第一路4~20mA电流信号采集电阻，4~20mA电流信号流过R2后，在R2一端产生一个与R2阻值成比例的电压信号。该电压信号经过由R1 C2组成的低通滤波器，进入由运算放大器U1A组成的初级电压跟随器。多路模拟复用器U4的引脚A、B为通道选通控制引脚，可控制X0~X3引脚分别与X引脚接通。U1A输出的信号经过U4选通后，通过X引脚输出到次级电压跟随器U3A，U3A将该信号输出至420MA_OUT接口，由一个ADC转换单元进行模拟数字转换和计算，得到4~20mA信号的具体值。 由于电压跟随器U1A的输出阻抗极小，而电压跟随器U3A的输入阻抗极大，U1A和U3A之间几乎没有电流流过模拟多通道复用芯片U4，U4对信号的衰减可忽略不计。同时由于电压跟随器的输出电压和输入电压总是相同，420MA_OUT端口的电压与采样电阻R2两端的电压总是相同。

本实用新型中，电路结构简单，减少电路器件数目和成本，可满足4~20mA电流环路通信方式在工业现场数据采集和控制类场景的应用需求，适合推广应用。

本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，用于采集工业现场总线多个电流环通讯通道输出的电流信号，其特征在于，包含：

分别与多个电流环通讯通道中相应传输通道相连用于电路电压转换的多个电流电压转换电路；

分别与多个电流电压转换电路相连用于阻抗匹配的多个初级电压跟随器；

与多个初级电压跟随器相连用于集中并择一输出的多路复用器；

与多路复用器相连用于阻抗匹配输出的电压跟随器；

及与电压跟随器相连用于模数转换输出的ADC采集电路。

2.根据权利要求1所述的工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，其特征在于，所述电流电压转换电路包含用于将多个电流环通讯通道中相应传输通道电流信号转换为电压信号的采样电阻。

3.根据权利要求1所述的工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，其特征在于，在所述电流电压转换电路和所述初级电压跟随器之间还串联有低通滤波器。

4.根据权利要求1所述的工业现场总线多通道电流环通讯信号采集电路，其特征在于，所述多路复用器采用模拟多路复用器芯片或模拟开关芯片实现。

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