CN216697026U - 一种plc模拟量输出隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种PLC模拟量输出隔离电路，包括依次电性连接的微控制器芯片(1)、输入端运算放大电路(2)、模拟光电耦合器(3)、输出端运算放大电路(4)，微控制器芯片(1)还连接上位机PLC耦合器，输出端运算放大电路(4)输出隔离信号作为该电路的输出。微控制器芯片输出电压模拟量信号至输入端运算放大器及其外围器件组成的运算放大电路，后至模拟光电耦合器(3)进行隔离，输出端运算放大器及外围电路将输出光电二极管电流转换为电压。本实用新型用于对PLC模拟量输出信号进行电路隔离。

Description

一种PLC模拟量输出隔离电路

技术领域

本实用新型涉及隔离电路领域，特别涉及一种可编程逻辑控制器模拟量输出电路。

背景技术

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

PLC的模拟量模块输出模块是按照设定数值输出相应的模拟电压/电流的模块，模拟量输出模块一般包含多个通道。现有模拟量输出模块的模拟量输出电路，通常包括微控制器、数字隔离电路、D/A转换电路。数字隔离电路前级隔离端与微控制器输出端相连，数字隔离电路后级隔离端与D/A转换电路相连。微控制器输出的控制信号输入数字隔离电路前级隔离端，经电气隔离形成数字信号，通过数字隔离电路后级隔离端输出至D/A转换电路，转换成电压模拟量输出。其中D/A转换电路核心芯片通常为SPI或I²C通信控制的DAC芯片。这种硬件电路配置较为复杂，需要编写DAC芯片串行通信驱动程序，也带来温漂和长期稳定性问题，从而不能正确、快速地输出模拟量。因此，需要开发一种新的电路来解决该问题，弥补不足。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种一种可编程逻辑控制器模拟量输出电路，用于代替串行通信过程中进行数字隔离的方案，使用高线性模拟光电耦合器将测量系统和计算机系统进行电气隔离。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种PLC模拟量输出隔离电路，包括依次电性连接的微控制器芯片、输入端运算放大电路、模拟光电耦合器、输出端运算放大电路，微控制器芯片还连接上位机PLC耦合器，输出端运算放大电路输出隔离信号作为该电路的输出。

所述输入端运算放大电路包括：微控制器芯片的模拟量输出引脚DAC_OUT经过电阻R1连接输入端运算放大器U1的反相输入端，输入端运算放大器U1的同相输入端接地，反向输入端与输出端之间连接有电容C1，输入端运算放大器U1的输出端经过电阻R2连接模拟光电耦合器K1的发光二极管，反向输入端还连接模拟光电耦合器K1的第一光敏二极管的一端。

所述模拟光电耦合器K1内部包括发光二极管、第一光敏二极管、第二光敏二极管，发光二极管两端分别输出1引脚和2引脚、第一光敏二极管分别输出3引脚和4引脚、第二光敏二极管分别输出5引脚和6引脚。发光二极管的一端1引脚连接输入端运算放大器U1，发光二极管的另一端2引脚连接外部+5V电源，输入端运算放大器U1反向输入端连接模拟光电耦合器K1的第一光敏二极管的一端3引脚，第一光敏二极管的另一端4引脚接地，第二光敏二极管的一端5引脚接地，另一端6引脚连接输出端运算放大器U2的反相输入端。

所述发光二极管为铝砷化镓发光二极管。

所述输出端运算放大电路包括输出端运算放大器及外围电路。

所述输出端运算放大电路具体包括：输出端运算放大器U2的同相输入端接地，反相输入端与该模拟量输出隔离电路的VOUT端之间并联有电容C2和电阻R3，输出端运算放大器U2输出端经过电阻R4连接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极经过电阻R5连接外部的+24V电源，三极管Q1的发射极连接该电路的VOUT端，该电路的VOUT端还经过电阻R6接地。

所述电容C1、C2为陶瓷电容或电解电容。

所述输入端运算放大电路、模拟光电耦合器、输出端运算放大电路的+5V、+24V电源分别为各自独立的电源。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.不同于常用的微控制器通过串行通信控制的DAC芯片进行电压模拟量输出，并在串行通信过程中进行数字隔离的方案。提出一种使用高线性模拟光电耦合器将测量系统和计算机系统进行电气隔离的方案。

2.采用高线性模拟光电耦合器，其内含一个高性能AlGaAs发光二极管和两个高度匹配的光电二极管。输入光电二极管可以用来监测并稳定发光二极管的光度输出，因此发光二极管的非线性和漂移特性几乎被消除，输出光电二极管会产生线性对应发光二极管光输出的光电流，光电二极管间的紧密匹配和先进的封装设计可以确保光电耦合器的高线性度和稳定增益。高线性模拟光电耦合器输出信号随输入信号变化而成比例变化，为PLC模拟信号传输中隔离电路的简单化、高精度化带来了方便。

2.该电路是直流电压模拟量输出隔离电路，该电路结构设计合理，降低设备成本和故障点，精度高、稳定性好、漂移小，便于电路搭建后编程方便。

附图说明

图1为本实用新型实施例的PLC模拟量输出隔离电路结构框图。

图2为本实用新型实施例的PLC模拟量输出隔离电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型的目的，但不用来限定本实用新型的范围。

如图1所示，该直流电压模拟量输出隔离电路。该电路包含自带DAC模块的微控制器芯片1、输入端运算放大电路2、高线性模拟光电耦合器3、输出端运算放大电路4。微控制器芯片接收PLC耦合器通过总线发送来的电压模拟量输出命令，经内部DAC模块运算产生电压模拟量。该电压模拟量输出给输入端运算放大器及其外围器件组成的运算放大电路，经输入端运算放大电路后的电压加载到高线性模拟光电耦合器的发光二极管上，发光二极管当有电流流过时就会发光。高线性模拟光电耦合器的两个光敏二极管在有光照射时就会产生光电流，高线性模拟光电耦合器的内部封装结构使得两个光敏二极管都能从发光二极管得到近似光照，且感应出正比于发光二极管发光强度的光电流。其中，反馈光敏二极管起负反馈作用，用于消除发光二极管的非线性和偏差特性带来的误差，改善输入与输出电路间的线性和温度特性，稳定电路性能。输出光敏二极管是线性光耦的输出端，接收由发光二极管发出的光线而产生的与光强成正比的输出电流，达到输入及输出电路间电流隔离的作用。输出端运算放大器及外围电路组成跨阻放大器，将输出光电二极管电流转换为电压。根据输出电压范围要求，改变运算放大器外围电路参数，即可设置输出电压模拟量范围。当微控制器内部DAC模块产生满量程电压模拟量时，对应输出0V至5V或0V至10V等电压模拟量范围。

如图2所示，为PLC模拟量输出隔离电路。该电路包含自带DAC模块的微控制器芯片电压模拟量输出引脚DAC_OUT、输入端运算放大器U1及其外围器件(电阻R1、R2、电容C1)、高线性模拟光电耦合器K1、输出端运算放大器U2及其外围器件(电阻R3、R4、R5、R6、电容C2、三极管Q1)。此电路可实现，当微控制器芯片电压模拟量输出引脚输出0V至3.3V电压时，对应电路输出端可输出0V至10V电压模拟量。具体电路连接关系如下：模拟量输出引脚DAC_OUT经过电阻R1连接输入端运算放大器U1的反相输入端，输入端运算放大器U1的同相输入端接地，反向输入端与输出端之间连接有电容C1，输入端运算放大器U1的输出端经过电阻R2连接高线性模拟光电耦合器K1的发光二极管的一端(高线性模拟光电耦合器K1的1引脚)，反向输入端还连接高线性模拟光电耦合器K1其中的第一光敏二极管的一端(高线性模拟光电耦合器K1的3引脚)。

高线性模拟光电耦合器K1内部包括发光二极管、第一光敏二极管、第二光敏二极管，发光二极管两端分别输出1引脚和2引脚、第一光敏二极管分别输出3引脚和4引脚、第二光敏二极管分别输出5引脚和6引脚。发光二极管的一端(1引脚)连接输入端运算放大器U1，发光二极管的另一端(2引脚)连接外部+5V电源，输入端运算放大器U1反向输入端连接高线性模拟光电耦合器K1的第一光敏二极管的一端(高线性模拟光电耦合器K1的3引脚)，第一光敏二极管的另一端(4引脚)接地，第二光敏二极管的一端(5引脚)接地，另一端(6引脚)连接输出端运算放大器U2的反相输入端。

输出端运算放大器U2的同相输入端接地，反相输入端与该电路的VOUT端之间并联有电容C2和电阻R3，输出端运算放大器U2输出端经过电阻R4连接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极经过电阻R5连接外部的+24V电源，三极管Q1的发射极连接该电路的VOUT端，该电路的VOUT端还经过电阻R6接地。

其中高线性模拟光电耦合器为Agilent公司的HCNR201。HCNR201高线性模拟光电耦合器的内部包含一个铝砷化镓发光二极管和两个相邻匹配的光敏二极管。这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从发光二极管得到近似的光照，因而消除了发光二极管的非线性和偏差特性所带来的误差。当电流流过发光二极管时，发光二极管发出的光被耦合到两个光敏二极管，从而在器件输出端产生与光强成正比的输出电流。隔离电路中电阻R1起限流作用，电阻R2用于控制发光二极管的发光强度，从而对控制通道增益起一定作用。电容C1和C2为反馈电容，用于提高电路的稳定性。运算放大器U1的作用是使发光二极管上有根据输入电压而变化电流流过，运算放大器U2的作用是把光敏二极管输出的电流信号转变为电压信号，并增强负载驱动能力。

高线性模拟光电耦合器HCNR201为电流驱动型器件，其发光二极管的工作电流为1mA至40mA，运算放大器的选取必须保证其输出电流有足够的驱动能力驱动发光二极管。电路采用OPA2171运算放大器,其输出电流可达40mA。

输出端运算放大器U2及其外围器件，电阻R3、R4、R5、R6、电容C2、三极管Q1构成稳压电路，其中三极管Q1使用NZT560A。

为实现信号的完全隔离，电路中前后级运算放大电路及光电耦合器的输入端和输出端采用了独立的电源供电，起到隔离干扰的作用。

不同于常用的微控制器通过串行通信控制的DAC芯片进行电压模拟量输出，并在串行通信过程中进行数字隔离的方案。提出一种使用高线性模拟光电耦合器将测量系统和计算机系统进行电气隔离的方案。高线性模拟光电耦合器输出信号随输入信号变化而成比例变化，为模拟信号传输中隔离电路的简单化、高精度化带来了方便。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，包括依次电性连接的微控制器芯片(1)、输入端运算放大电路(2)、模拟光电耦合器(3)、输出端运算放大电路(4)，微控制器芯片(1)还连接上位机PLC耦合器，输出端运算放大电路(4)输出隔离信号作为该电路的输出。

2.根据权利要求1所述的一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，所述输入端运算放大电路(2)包括：微控制器芯片(1)的模拟量输出引脚DAC_OUT经过电阻R1连接输入端运算放大器U1的反相输入端，输入端运算放大器U1的同相输入端接地，反向输入端与输出端之间连接有电容C1，输入端运算放大器U1的输出端经过电阻R2连接模拟光电耦合器(3)的发光二极管，反向输入端还连接模拟光电耦合器(3)的第一光敏二极管的一端。

3.根据权利要求1所述的一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，所述模拟光电耦合器(3)内部包括发光二极管、第一光敏二极管、第二光敏二极管，发光二极管两端分别输出1引脚和2引脚、第一光敏二极管分别输出3引脚和4引脚、第二光敏二极管分别输出5引脚和6引脚,发光二极管的一端1引脚连接输入端运算放大器U1，发光二极管的另一端2引脚连接外部+5V电源，输入端运算放大器U1反向输入端连接模拟光电耦合器(3)的第一光敏二极管的一端3引脚，第一光敏二极管的另一端4引脚接地，第二光敏二极管的一端5引脚接地，另一端6引脚连接输出端运算放大器U2的反相输入端。

4.根据权利要求3所述的一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，所述发光二极管为铝砷化镓发光二极管。

5.根据权利要求1所述的一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，所述输出端运算放大电路(4)包括输出端运算放大器及外围电路。

6.根据权利要求5所述的一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，所述输出端运算放大电路(4)具体包括：输出端运算放大器U2的同相输入端接地，反相输入端与该模拟量输出隔离电路的VOUT端之间并联有电容C2和电阻R3，输出端运算放大器U2输出端经过电阻R4连接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极经过电阻R5连接外部的+24V电源，三极管Q1的发射极连接该电路的VOUT端，该电路的VOUT端还经过电阻R6接地。

7.根据权利要求2或6所述的一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，所述电容C1、C2为陶瓷电容或电解电容。

8.根据权利要求1所述的一种PLC模拟量输出隔离电路，其特征在于，所述输入端运算放大电路(2)、模拟光电耦合器(3)、输出端运算放大电路(4)的+5V、+24V电源分别为各自独立的电源。

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