CN2572673Y - 模拟量输入电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模拟量输入电路，电路提供了8路模拟量输入，所有的输入端共用一个公共端，用接线端子与外围电路连接。外部24V电源给输入电路供电，电压可在一定的范围内变化。0－20mA或4－20mA的标准直流电流通过高精度的采样电阻和瞬电保护二极管及阻容滤波网络进入A/D芯片的输入端，A/D芯片与单片机之间加入四个光耦隔离使能信号、数据输入、输出信号、串形时钟信号隔离，单片机通过数据总线把采集的数据传到主控制器；通过调节地址拨码开关，可以设置地址，实现电路的扩展，最多可扩展到16个电路，同时还可进行1V、4V、5V基准电压的选择。可以抵抗现场信号的干扰，安装方便快捷。

Description

模拟量输入电路

技术领域

本实用新型涉及一种输入电路，特别是指一种工业过程自动化控制终端设备对现场模拟量采集的模拟量输入电路，适用于石化、给排水、电力、冶金等领域的工业过程自动化控制终端设备对现场的压力、液位、流量或其它高精度模拟信号采集的模拟量输入电路。

背景技术

目前，在我国应用于工业过程自动化领域控制设备中对模拟信号量的采集电路，由于电路设计简单，电路没有采取隔离设计，而采集现场又存在信号干扰大的特点，所以，不足之处是造成现有模拟信号量的采集电路，输入信号失真、测量数据不准确，给控制系统的整体控制造成极大影响；其可扩展能力差，不能满足现场采集信号点增加的需要。

发明内容

本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而为工业现场设计的模拟量输入电路，输入端通过接线端子与压力、液位、流量、温度变送器，或其他高精度模拟信号源连接使用。8路模拟量输入；输入信号为0-20mA或4-20mA(可调)；12位A/D转换；模拟电路部分与数字电路部分电源隔离，模拟电路部分电源由外接24V提供；数字电路部分电源5V由主控制器提供；与主控制器通过数据总线I²C总线方式通讯；采用光耦隔离技术，可以抵抗现场信号的干扰；4位地址拨码，可同时并联使用16个此种电路。

本实用新型的目的可以通过以下措施来达到：

一种模拟量输入电路，由输入电路、隔离电路和控制电路组成，该电路构成如下：

输入电路：输入端0～7通过各自并联的采样电阻R2和保护二极管CR1，再通过电阻R1、电容10组成的滤波器接A/D芯片的1～8腿输入端；A/D芯片的10、11、12、13腿接地，A/D芯片的9、20腿分别通过电容C9、C5接地，电源IN+、IN-通过二极管CR10接入由稳压块U6、电容C7、C8组成的三端稳压器，输出端1为8V接A/D芯片的20腿，其输入端3接三极管Q1的集电极，A/D芯片的19腿接反相器U4B的输出端，其输入端接反相器U4A的输入端、电阻R10并联电路，再通过电容C1接地，构成的振荡电路向A/D芯片提供一振荡信号，构成A/D芯片的外围电路；

隔离电路：A/D芯片的15腿接光耦片U9的6腿和通过上拉电阻R11接8腿，A/D芯片的17腿接光耦片U8的6腿和通过上拉电阻R12接8腿，A/D芯片的18腿通过二反相串联连接反相器接光耦片U7的6腿和通过上拉电阻R13接8腿，A/D芯片的16腿通过电阻R31接三极管Q1的基极，其发射极通过电阻R14接光耦片U5的2腿，光耦片U9、U8、U7的5腿接地，8腿接三端稳压器的8V输出端，2腿接电源Vcc，光耦片U9的3腿通过电阻R17接单片机U2的24腿，光耦片U8的3腿通过电阻R16接单片机U2的22腿，光耦片U7的3腿通过电阻R15接单片机U2的22腿，光耦片U5的3腿接地，2腿通过电阻R14接三极管的发射极，8腿接电源Vcc，6腿接单片机U2的21腿，6、8腿间并联电阻R18，单片机U2的9、10腿间并联晶体振荡器Y1、各接电容C25、C26组成的振荡电路到8腿，光耦片U5的5腿到单片机U2的8腿；

控制电路：

单片机U2的1腿接与非门U1C的输出端，电源Vcc通过电阻R27到数据总线，再通过电阻R28到与非门U1A的输入端，另一输入端接电源Vcc，两输入端间并联电容C22，输出端接与非门U1D的输入端，另一输入端通过电容C21接单片机U2的8腿和通过并联的反相二极管CR9、电阻R27到电源Vcc，与非门U1D的输出端接非门U1C的输入端，另一输入端接电源Vcc；

单片机U2的13、14、15腿到数据总线和通过电阻R27到20腿和电源Vcc，单片机U2的20腿通过电容C24到19和8腿；

单片机U2的25、26、27、28腿分别接拨码开关的16、15、14、13腿，拨码开关的1、2、3、4腿接单片机U2的8腿，5、7腿短接后接A/D芯片的14腿，6、8短接后接A/D芯片的9腿，11腿接地；

芯片U14的2腿输入8V，4腿接地，2、4腿并联电容C2，4、6间接串联的电阻R4、电位器和电阻R3，电位器的调整点接5腿，6腿为5V输出接拨码开关的12腿，其5V输出接串联的电阻R6、电位器、电阻R6、电位器、电阻R6到地，两电位器的两调整点分别接射极跟随器的输入端，射极跟随器的另一输入端分别通过电阻R8、R7接输出端和拨码开关的10、9腿，提供4V、1V电压。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

模拟量输入电路可以对压力、液位、流量等模拟信号进行测量；可接入4-20mA直流电流信号，采集分辨率为12位；通过光耦隔离，可以抵抗现场信号的干扰；根据现场要求，设置电路地址，易于电路的扩展；安装方便快捷，安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，连接到系统总线；超过连续信号输入范围的60％不会损坏电路。测量精度在25℃为±0.2％×满量程，在整个温度范围为±0.5％×满量程；在每个通路都设有瞬变抑制器，实现瞬间保护；由于本实用新型采用的都是工业级元器件，可适应的温度范围为-40℃～70℃，能够在较恶劣的环境下工作。

附图说明

图1.模拟量输入电路的电路图。

具体实施方式

请参考图1.模拟量输入电路的电路，该电路由A/D芯片、光耦片、单片机、基准电路、振荡电路、复位电路、分压网络、阻容滤波网络、二极管、三极管、地址拨码开关、三端电源组成的输入电路、隔离电路和控制电路构成。

模拟量输入电路通过接线端子接入八路模拟量信号，0-7八路输入端首先分别接入一个高精度采样电阻和一个起瞬电保护作用的二极管IN6269A，然后通过由一个电阻和一个电容组成的阻容滤波网络接入A/D芯片U10LTC1290的输入端CH0-CH7，通过一个三端稳压器U6提供8V的电源给A/D芯片供电，另外由两个反相器U4A、U4B和一个电容、电阻组成的振荡电路给A/D芯片提供振荡信号，其频率由电容、电阻决定。A/D芯片与单片机之间通过加入四个光耦片进行电路的隔离，A/D芯片U10的/CS使能端通过一个10K的上拉电阻接入光耦片U9 6N136的管腿D和C，A/D芯片U10的Din数据输入端通过一个上拉电阻接入另一光耦片U8 6N136的管腿D和C，A/D芯片U10的SCLK串形时钟信号输入端通过两个反相器U4E、U4F和一个上拉电阻接入另一光耦片U7 6N136的管腿D和C。D-端分别通过电阻接入单片机PLC U2管腿24、23、22，PLC U2的管腿21通过接入一个光耦隔离芯片U5和一个三极管与A/D芯片U10的Dout端相连，由一个晶体与两个电容组成的晶体振荡电路接入单片机PLC的9、10管腿，为单片机PLC提供工作频率，管腿13、14、15分别接入一个上拉电阻与电源相连，同时通过数据总线同主控制器相连。由3个与非门组成的复位电路接入单片机的1腿；PLC的25、26、27、28管腿分别接入地址拨码开关的16、15、14、13端；由芯片U14 REF02和电位器、电容、电阻组成的基准电路可提供5V基准，这一电路通过分压网络和电位器、射极跟随器及电阻分别提供了1V和4V的基准。地址拨码开关的的12、10、9端分别接入4V、1V、5V基准电路，通过调节拨码开关，可以将0和5V或1和4V提供给A/D芯片U10作为参考电压。

下面结合线路图，对本实用新型作进一步说明。

电路提供了8路模拟量输入，所有的输入端共用一个公共端(

COM)，用接线端子与外围电路连接。外部24V电源给输入电路供电，电压可在一定的范围内变化。0-20mA或4-20mA的标准直流电流通过高精度的采样电阻和瞬电保护二极管及阻容滤波网络进入A/D芯片U10的输入端，A/D芯片与单片机之间加入四个光耦隔离使能信号、数据输入、输出信号、串形时钟信号隔离，单片机PLC U2通过数据总线把采集的数据传到主控制器；通过调节地址拨码开关，可以设置地址，实现电路的扩展，最多可扩展到16个电路，同时，还可以通过调节地址拨码开关，进行1V、4V、5V基准电压的选择。

电路可以提供20％的输入信号偏移。设定偏移后电路读取4～20mA或1～5V的信号，取消偏移后电路读取0～20mA或0～5V的信号。

输入偏移为0％时可测量0～20mA或0～5V的信号。下表所示为某些输入信号的A/D转换后的输出值。

4.88μA/count-----20mA方式

1.22mV/count-----5V方式

电流	电压	A/D输出
			0mA	0V	0
5mA	1.25V	8192
			10mA	2.5V	16384
15mA	3.75V	24576
			19.995mA	4.999V	32760

10

输入偏移为20％时可测量4～20mA或1～5V的信号。下表所示为某些输入信号的A/D转换后的输出值。

4.88μA/count-----20mA方式

0.976mV/count-----5V方式

电流	电压	A/D输出
			＜4mA	＜1V	0
4mA	1V	0
			8mA	2V	8192
12mA	3V	16384
			16mA	4V	24576

模拟量输入电路接收0～20mA或0～5V输入信号。电流回路在输入端有一个250Ω电阻(当信号为0～5V时，不接此电阻)。SW1开关可设置20％的输入偏移。无偏移时，电路测量0～20mA或0～5V的信号。有偏移时，电路测量4～20mA或1～5V的信号。E101电路使用12位分辨率的A/D转换器且通过I/O BUS总线进行通讯。所有的输入端都有瞬态保护且与主逻辑电源隔离。所有输入共用一条公共回路。模拟电路部分与数字电路部分电源隔离；与主控制器通过I²C总线方式通讯；4位地址拨码，可同时并联使用16个此种电路；

该用于自动化控制终端的模拟量输入电路，已制成模块，本厂编号和名称为E101模拟量输入模块，E101模拟量输入电路采用B型盒(115mm×110mm)封装，安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，连接到系统I/OBUS总线上。

E101模块提供了8路模拟量输入，所有的输入端共用一个公共端(COM)，用接线端子与外围电路连接。推荐使用22～12AWG的标准电线。外部24V电源给输入电路供电，电压可在一定的范围内变化。

模块可连接外部供电与自供电的变送器，外部供电的变送器连接到+24V与模拟量输入端，构成回路。自供电的变送器连接到模拟量输入端与COM之间。

输入端通过接线端子与压力、液位、流量、温度变送器，或其他高精度模拟信号源连接使用。8路模拟量输入，输入信号为0-20mA或4-20mA(可调)；通过12位A/D转换。

现以ECHO抽油机控制器为例，对E101模拟量输入电路在本产品的控制过程及作用进行阐述。ECHO抽油机控制器是一种应用于油田自动化的远程控制装置。其主要目的是在油田抽油井现场实现对抽油机的控制，具有检测、控制、报警、通讯等功能。它是由主控电路、模拟量输入电路(E101)、数字量输入输出电路、信号调理电路、串口扩展电路、电源电路及电台、显示屏、继电器、端子等组成。

E101模拟量输入电路共有8路模拟输入量，第一路(AIO)接信号调理电路(E304)的第三路负荷量变换量(RAO)，第五路(AI4)接信号调理电路(E304)的温度变换量(RA01)，其它路(AI1、AI2、AI3、AI5、AI6、AI7)通过端子接现场模拟量信号。在I/O总线上可安装16块E101模拟量输入电路，可得到128个模拟量输入点。

控制器在工作时，E101、E103不断采集输入的模拟和数字信号，经数据总线传到E001。E001对数据进行处理和计算，生成各种量值的可读数据和示功图、电流图、运行时间的历史数据。同时，E001将采集数据与设定参数进行比较，根据比较结果产生相应的输出控制信号传给E103输出，经中间继电器控制抽油机的运行状态。

现场应用表明，E101模拟量输入电路具有抗干扰能力强、可靠性高、兼容性好、应用灵活、操作方便等特点，且能够适应恶劣的现场环境。

Claims (1)

1.一种模拟量输入电路，其特征在于：由输入电路、隔离电路和控制电路组成，该电路构成如下：

输入电路：输入端0～7通过各自并联的采样电阻R2和保护二极管CR1，再通过电阻R1、电容10组成的滤波器接A/D芯片的1～8腿输入端；A/D芯片的10、11、12、13腿接地，A/D芯片的9、20腿分别通过电容C9、C5接地，电源IN+、IN-通过二极管CR10接入由稳压块U6、电容C7、C8组成的三端稳压器，输出端1为8V接A/D芯片的20腿，其输入端3接三极管Q1的集电极，A/D芯片的19腿接反相器U4B的输出端，其输入端接反相器U4A的输入端、电阻R10并联电路，再通过电容C1接地，构成的振荡电路向A/D芯片提供一振荡信号，构成A/D芯片的外围电路；

隔离电路：A/D芯片的15腿接光耦片U9的6腿和通过上拉电阻R11接8腿，A/D芯片的17腿接光耦片U8的6腿和通过上拉电阻R12接8腿，A/D芯片的18腿通过二反相串联连接反相器接光耦片U7的6腿和通过上拉电阻R13接8腿，A/D芯片的16腿通过电阻R31接三极管Q1的基极，其发射极通过电阻R14接光耦片U5的2腿，光耦片U9、U8、U7的5腿接地，8腿接三端稳压器的8V输出端，2腿接电源Vcc，光耦片U9的3腿通过电阻R17接单片机U2的24腿，光耦片U8的3腿通过电阻R16接单片机U2的22腿，光耦片U7的3腿通过电阻R15接单片机U2的22腿，光耦片U5的3腿接地，2腿通过电阻R14接三极管的发射极，8腿接电源Vcc，6腿接单片机U2的21腿，6、8腿间并联电阻R18，单片机U2的9、10腿间并联晶体振荡器Y1、各接电容C25、C26组成的振荡电路到8腿，光耦片U5的5腿到单片机U2的8腿；

控制电路：

单片机U2的1腿接与非门U1C的输出端，电源Vcc通过电阻R27到数据总线，再通过电阻R28到与非门U1A的输入端，另一输入端接电源Vcc，两输入端间并联电容C22，输出端接与非门U1D的输入端，另一输入端通过电容C21接单片机U2的8腿和通过并联的反相二极管CR9、电阻R27到电源Vcc，与非门U1D的输出端接非门U1C的输入端，另一输入端接电源Vcc；

单片机U2的13、14、15腿到数据总线和通过电阻R27到20腿和电源Vcc，单片机U2的20腿通过电容C24到19和8腿；

单片机U2的25、26、27、28腿分别接拨码开关的16、15、14、13腿，拨码开关的1、2、3、4腿接单片机U2的8腿，5、7腿短接后接A/D芯片的14腿，6、8短接后接A/D芯片的9腿，11腿接地；

芯片U14的2腿输入8V，4腿接地，2、4腿并联电容C2，4、6间接串联的电阻R4、电位器和电阻R3，电位器的调整点接5腿，6腿为5V输出接拨码开关的12腿，其5V输出接串联的电阻R6、电位器、电阻R6、电位器、电阻R6到地，两电位器的两调整点分别接射极跟随器的输入端，射极跟随器的另一输入端分别通过电阻R8、R7接输出端和拨码开关的10、9腿，提供4V、1V电压。