CN219266789U - 一种隔离型4-20mA输出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隔离型4‑20mA输出电路，包括MCU系统电路，数据掉电保存电路，数字隔离电路，比较器—运放电压跟随电路，二阶滤波器电路和恒流源输出电路，MCU系统电路用于读取掉电保存电路中的数据，根据数据计算PWM波的理论值并输出；数字隔离电路用来隔离PWM波数字信号；比较器—运放电压跟随电路用于提升电路的负载驱动能力；二阶滤波器电路用于将不同占空比对应的PWM波转换为等效电压并输出到恒流源输出电路；通过恒流源输出电路产生并输出4‑20mA电流信号。本实用新型隔离型4‑20mA电路，可以实现高精确，低噪声，零点漂移小，且稳定输出4‑20mA电流信号的功能。

Description

一种隔离型4-20mA输出电路

技术领域

本实用新型涉及一种隔离型4-20mA输出电路。

背景技术

电路隔离技术的原理通过隔离器件来切断噪声干扰的路径，从而实现抑制噪声干扰的效果。实际应用包含有模拟电路的隔离(包括变压器隔离，互感器隔离，直流电压隔离等技术)，数字电路的隔离(包括光电隔离器，继电器隔离等隔离技术)，模拟电路和数字电路之间的隔离(数模-模数转换技术)。

4-20mA传输技术：4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制是国际电工委员会(IEC)过程控制系统采用的模拟信号传输标准，我国作为委员会成员之一，也采用了这一国际标准信号制度。4-20mA模拟信号传输技术考虑到工业现场中普遍测量的包括温度、压力、速度、角度等非电类物理量需要转换成模拟量电信号进行长传的需求，利用工业现场噪声电压幅值较大但噪声功率较弱进一步导致噪声电流较为微弱的特点，通过传输模拟量电流信号替代模拟电压信号，保证传输的精度。4-20mA模拟量信号选取4mA作为量程下限，20mA作为量程上限的考虑：不选用0mA而另选4mA作为量程下限首先保证了现场变送器工作所需最小的静态工作电流，其次便于排查断电和断线等常见故障。选用20mA作为量程上限主要考虑到个别现场可能由易燃气体泄露防爆的需求。

传统的隔离型电路，无法确保可以实现高精确、低噪声、零点漂移小的稳定输出4-20mA电流信号的功能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种隔离型4-20mA输出电路，以解决上述背景技术中提出的传统的隔离型电路，无法确保可以实现高精确、低噪声、零点漂移小的稳定输出4-20mA电流信号的功能的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种隔离型4-20mA输出电路，包括MCU系统电路，数据掉电保存电路，与所述MCU系统电路通过光电耦合器连接的数字隔离电路，比较器—运放电压跟随电路，二阶滤波器电路和恒流源输出电路；

所述MCU系统电路用于读取掉电保存电路中的数据，根据数据计算PWM波的理论值并输出，输出后的PWM信号在经过数字隔离电路，比较器—运放电压跟随电路，二阶滤波器电路后最终通过恒流源输出电路输出；

所述数字隔离电路用来隔离PWM波数字信号；所述比较器—运放电压跟随电路用于提升电路的负载驱动能力；所述二阶滤波器电路用于将不同占空比对应的PWM波转换为等效电压并输出到恒流源输出电路；通过所述恒流源输出电路产生并输出4-20mA电流信号。

优选的，所述MCU系统电路包括GD32F103系列的微控制器、为微控制提供基本时钟源信号的8MHz晶体振荡器、看门狗芯片、复位按键。

优选的，所述数据掉电保存电路包括I2C通讯电路和E2PROM芯片，所述数据掉电保存电路通过I2C协议存储数据到E2PROM芯片中，数据包括模拟量量程、校准4-20mA电流信号的系数、PWM-电流正相关直线参数和采样点信息。

优选的，所述MCU系统电路通过I2C协议读取所述E2PROM芯片中的数据，对数据进行计算后输出对应占空比的PWM波。

优选的，所述MCU系统电路通过I2C协议读取所述E2PROM芯片内部256Byte个数据。

优选的，所述数字隔离电路包括光电隔离器，且所述光电隔离器包括红外线发光二极管LED和光敏半导体管，所述数字隔离电路用于隔离MCU系统电路与其他数字电路及电平的转换。

优选的，所述还包括两个型号为美信MAX44248的运算放大器，分别用于比较器—运放电压跟随电路和恒流源输出电路。

与现有技术相比，本实用新型的优点与好处：

本实用新型选用光电隔离器实现数字电路之间的隔离，另外在直流供电系统考虑到控制设备和各元器件设备所需的供电电压不同时，使用DC-DC变换器实现直流电压隔离，该隔离型4-20mA电路，可以实现高精确，低噪声，零点漂移小，且稳定输出4-20mA电流信号的功能。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型整体电路示意图；

图3为本实用新型MCU系统电路图；

图4为本实用新型数据掉电保存电路图；

图5为本实用新型数字隔离器电路图；

图6为本实用新型比较器—运放电压跟随电路图；

图7为本实用新型二阶滤波器电路和恒流源输出电路图。

具体实施方式

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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：一种隔离型4-20mA输出电路，包括MCU系统电路，数据掉电保存电路，与MCU系统电路通过光电耦合器连接的数字隔离电路，比较器—运放电压跟随电路，二阶滤波器电路和恒流源输出电路；

MCU系统电路用于读取掉电保存电路中的数据，根据数据计算PWM波的理论值并输出，输出后的PWM信号在经过数字隔离电路，比较器—运放电压跟随电路，二阶滤波器电路后最终通过恒流源输出电路输出；

比较器—运放电压跟随电路，调节经过光电隔离器已经电压变换后的PWM输出信号，将两个相同电阻串联后中间点的电压值(即1/2个光电隔离器输出电压)作为要比较的参考电压，使此时得到信号更加纯净；比较器—运放电压跟随电路中比较器的型号为LM339；

二阶滤波器电路中二阶滤波器的阻容器件的数值为100k和0.1uf，该参数较为常见，低通滤波器的截止频率为5.95Hz；

数字隔离电路用来隔离PWM波数字信号；比较器—运放电压跟随电路用于提升电路的负载驱动能力，主要通过引入电压负反馈提升电路的负载驱动能力；二阶滤波器电路用于将不同占空比对应的PWM波转换为等效电压并输出到恒流源输出电路；通过恒流源输出电路产生并输出4-20mA电流信号。

作为优选的实施方式，MCU系统电路包括GD32F103系列的微控制器、为微控制提供基本时钟源信号的8MHz晶体振荡器、看门狗芯片、复位按键，提供PWM输出数字量信号和I2C通讯掉电保存4-20mA校准数据，能够实现PWM信号的输出；微控制器的型号一般选择GD32F103ZET6,国产芯片，供货周期短，性能和竞品STM32F103ZET6性能相当。

作为优选的实施方式，数据掉电保存电路包括I2C通讯电路和E2PROM芯片，数据掉电保存电路通过I2C协议存储数据到E2PROM芯片中，数据包括模拟量量程、校准4-20mA电流信号的系数、PWM-电流正相关直线参数和采样点信息。

作为优选的实施方式，MCU系统电路通过I2C协议读取E2PROM芯片中的数据，对数据进行计算后输出对应占空比的PWM波。

进一步的，MCU系统电路通过I2C协议读取E2PROM芯片内部256Byte个数据。

作为优选的实施方式，数字隔离电路包括光电隔离器，且光电隔离器包括红外线发光二极管LED和光敏半导体管，数字隔离电路用于隔离MCU系统电路与其他数字电路及电平的转换，主要是隔离信号电源，防止外界扰动造成的误触发。保证数据流的可靠性；光电隔离器为EL357NC437。

进一步的，还包括两个型号为美信MAX44248的运算放大器，分别用于比较器—运放电压跟随电路和恒流源输出电路，恒流源输出电路中场效应管使用BSP110。

实施例1

参考附图1-3，MCU电路中MCU型号为GD32F103ZET6，供电范围：1.7V～3.6V，CPU内核：

主频，使内部定时器3工作在PWM模式，一通道输出PWM波，通过内部硬件I2C和E2PROM通讯读写数据。

参考附图4，掉电保存电路选用华冠的AT24C02,其内部共有256Byte大小可供读写，采用I2C协议进行通讯，满足大多数通讯速率和容量的需求。

参考附图5，本申请使用隔离手段为光耦隔离，所用器件为EL357NC437,最大正向电流为10mA，正向压降为1.24V,上升时间和下降时间在3-4us之间，有着极高的开关速率。

参考附图6，本申请比较器—运放电压跟随电路中选用的比较器为意法半导体ST的LM339，内部包含了四个独立的电压比较器，超低输入电流(最低至1.1mA)，每个比较器都经过专门设计，允许较宽范围的供电电压，单电源电压(+2V到+36V)和双电源电压(±1V到±18V)，利用分压电阻和一半的基准电压进行比较，降低了数字量信号的噪声，提高了信号的强度。

参考附图6，本申请比较器—运放电压跟随电路选用轨至轨运算放大器MAX44248,该运算放大器具有超低功耗，超精密，低噪声的特性。内部包含了一个自动归零电路，该电路通过不断测量和补偿输入偏移以消除漂移。还具有集成的EMI滤波器以减少对电路中掺杂的高频信号的解调输出。和LM339类似，该运算放大器同样有宽范围供电电压输入，单电源电压(+2.7V到+36V)双电源电压(±1.35V至±18V)。通过导线将运算放大器同相端和输出端连接，形成电压串联负反馈，此时运算放大器增益约为1.输入阻抗约等于无穷大。输出阻抗约等于0，实现阻抗变换，使得后级负载获得较大电压。

参考附图7，本申请二阶滤波器电路阻容器件的参数分别为100kΩ，0.1uf,计算得该低通滤波器的截止频率为f_c＝1/5.344πRC＝5.95Hz，实际电路中选用的PWM波信号频率为270Hz，脉冲信号变为等效直流信号。

参考附图7，本申请恒流源电路的通过运放的输出控制场效应导通，提升电流，通过电压负反馈实现恒流输出。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种隔离型4-20mA输出电路，其特征在于：包括MCU系统电路，数据掉电保存电路，与所述MCU系统电路通过光电耦合器连接的数字隔离电路，比较器—运放电压跟随电路，二阶滤波器电路和恒流源输出电路；

所述MCU系统电路用于读取掉电保存电路中的数据，根据数据计算PWM波的理论值并输出，输出后的PWM信号在经过数字隔离电路，比较器—运放电压跟随电路，二阶滤波器电路后最终通过恒流源输出电路输出；

所述数字隔离电路用来隔离PWM波数字信号；所述比较器—运放电压跟随电路用于提升电路的负载驱动能力；所述二阶滤波器电路用于将不同占空比对应的PWM波转换为等效电压并输出到恒流源输出电路；通过所述恒流源输出电路产生并输出4-20mA电流信号。

2.根据权利要求1所述的一种隔离型4-20mA输出电路，其特征在于：所述MCU系统电路包括GD32F103系列的微控制器、为微控制提供基本时钟源信号的8MHz晶体振荡器、看门狗芯片、复位按键。

3.根据权利要求1所述的一种隔离型4-20mA输出电路，其特征在于：所述数据掉电保存电路包括I2C通讯电路和E2PROM芯片，所述数据掉电保存电路通过I2C协议存储数据到E2PROM芯片中，数据包括模拟量量程、校准4-20mA电流信号的系数、PWM-电流正相关直线参数和采样点信息。

4.根据权利要求1所述的一种隔离型4-20mA输出电路，其特征在于：所述MCU系统电路通过I2C协议读取E2PROM芯片中的数据，对数据进行计算后输出对应占空比的PWM波。

5.根据权利要求4所述的一种隔离型4-20mA输出电路，其特征在于：所述MCU系统电路通过I2C协议读取所述E2PROM芯片内部256Byte个数据。

6.根据权利要求1所述的一种隔离型4-20mA输出电路，其特征在于：所述数字隔离电路包括光电隔离器，且所述光电隔离器包括红外线发光二极管LED和光敏半导体管，所述数字隔离电路用于隔离MCU系统电路与其他数字电路及电平的转换。

7.根据权利要求1所述的一种隔离型4-20mA输出电路，其特征在于：还包括两个型号为美信MAX44248的运算放大器，分别用于比较器—运放电压跟随电路和恒流源输出电路。

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