CN2574062Y - 电流信号调理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电流信号调理电路。由主控电路、电流采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路组成。该电路测量在电流互感器二次测的0－75mA交流信号。将该信号转变为0－1.125V的交流电压信号进行处理，采集电压信号并对信号进行处理，电路中使用了PIC16F73单片机，此单片机内置4路8位A/D，将0－1.125V交流信号进行放大和升压处理后送入这些A/D通道，经过处理变为数字信号送出，数字信号送入8位D/A转换器TLV5620转变为直流电压信号，再经过V/I转换电路输出4－20mA的直流电流信号。该电路测量准确，可方便调零、调满度，方便实际操作。

Description

电流信号调理电路

技术领域

本实用新型涉及一种调理电路，特别是指一种用于工业过程自动化控制终端设备中，将现场提供的高压电流信号调理成标准信号的电流信号调理电路，特别适合于石化、给排水、电力、冶金等领域的工业过程自动化控制终端设备，测量给三相电机供电的高压电流信号，通过电流互感器，将其二次侧端产生的交流信号转换为4～20mA电流信号传给模拟量输入电路，完成电流信号的测量和显示。

背景技术

目前，在我国应用于工业自动化领域控制设备中将输入的三相电流信号调理成标准信号的电路，由于电路设计简单，在设计时也没有考虑降低现场干扰信号对电路的作用和破坏，不足之处是三项电流转换信号误差大、输出不稳定、测量数据不准确，给整个自动化控制系统造成极大影响，另外，不能根据现场实际情况进行调零、调满度，给实际操作带来很大不便。

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提出的一种用于自动化控制终端的电流信号调理电路，它可以同时将三路电流互感器二次侧的交流电流信号(0-75mA)，转换成标准的4-20mA直流电流信号。每路之间没有影响。不仅测量精度高，更适于根据实际情况进行调节，方便了实际操作。

本实用新型的目的可以通过以下措施来达到：

一种电流信号调理电路，该电路由主控电路、电流采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路组成，

其电路的具体连接构成如下：

三相电流输入端分别为Inputl、Input2、Input3，在三个输入端并联6V双向瞬变抑制二极管CR1、2、3和采样电阻R1、6、11，三个输入端分别通过电阻R2、R7、R12接入放大器MXL1013 2、6、6腿负输入端，同时通过电阻R3、R8、R13接入放大器MXL1013输出端1、7、7腿；电路中采用一个5Vref基准电压经过分压电阻R4、R9、R14接在放大器MXL1013的3、5、5腿正端和通过下拉电阻R5、R10、R15到地，然后信号经过放大送到后面电路中，放大器MXL1013的输出端1、7、7分别接入单片机U7 PIC16F73的管腿2、3、4，放大器MXL1013 U5A的4腿接-15V；

电路中使用了单片机U7 PIC16F73自带的8位A/D转换功能，单片机U7的管腿5接入电源5Vref，管腿8接地，其管腿9、10之间并联一个晶体Y1和分别通过电容C4、C5接地，形成的振荡电路，为单机片提供工作频率，管腿12、13、14、16分别接入D/A转换芯片U8的管腿13、8、7、6，其中单片机的管腿14、16通过上拉电阻R20、R21接入电源VCC，使其在没有信号时为高电平，管腿20接入电源VCC，通过滤波电容C6接地和管腿19，电源VCC接入复位芯片U9的管腿3、8和通过上拉电阻R18接单片机U7的管腿1和复位芯片U9的管腿7，复位芯片U9的管腿1、4、5、6接地，加电时为单片机提供一个低电平的复位信号；

电源5Vref通过串联的电阻R16、R17接地，串联的电阻R16、R17的中点接D/A转换芯片U8的管腿2、3、4、5，D/A转换芯片U8的管腿1腿接地，14腿接电源VCC，管腿1、14间并联电容C7；

D/A转换芯片U8的管腿12通过串联的电阻R22、电位器Wg1、电阻R49、电容C11接地，电位器Wg1和电阻R49的连接点接运算放大器U10A的2腿和通过电阻R24接U10A的1腿，电源5Vref通过串联的电位器Wz1、电阻R23接U10A的2腿，U10A的3腿接地，U10A的8腿接+15V，4腿接-15V，U10A的1腿通过电阻R25接U10B的6腿和通过并联的电阻R27、电容C8再同电阻R29串联接U10B的7腿和通过电阻R30至输出端OUT1，输出端OUT1通过电阻R28接U10B的5腿和通过电阻R26接地；

D/A转换芯片U8的管腿11通过串联的电阻R31、电位器Wg2、电阻R50、电容C12接地，电位器Wg2和电阻R50的连接点接运算放大器U11A的2腿和通过电阻R33接U11A的1腿，电源5Vref通过串联的电位器Wz2、电阻R32接U11A的2腿，U11A的3腿接地，U11A的8腿接+15V，U11A的4腿接-15V，U11A的1腿通过电阻R34接U11B的6腿和通过并联的电阻R36、电容C9再同电阻R50串联接U11B的7腿和通过电阻R39至输出端OUT2，输出端OUT2通过电阻R37接U11B的5腿和通过电阻R35接地；

D/A转换芯片U8的管腿10通过串联的电阻R40、电位器Wg3、电阻R51、电容C13接地，电位器Wg3和电阻R51的连接点接运算放大器U12A的2腿和通过电阻R42接U12A的1腿，电源5Vref通过串联的电位器Wz3、电阻R41接U12A的2腿，U12A的3腿接地，U12A的8腿接+15V，U12A的4腿接-15V，U12A的1腿通过电阻R43接U12B的6腿和通过并联的电阻R45、电容C10再同电阻R47串联接U12B的7腿和通过电阻R48至输出端OUT3，输出端OUT3通过电阻R46接U12B的5腿和通过电阻R44接地。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

该用于自动化控制终端的电流信号调理电路，该电路采用24VDC电源供电，采集的是三路0-75mA交流电流信号，此信号是由交流电流互感器的二次侧端提供，输出为标准4-20mA直流信号，输出信号可以通过模拟量输入电路采集送至控制器进行处理；该电路已经制成了模块，安装方便快捷；整个电路还提供了±6V瞬变保护；测量精度在常温下为±1.5％，全程温度范围±3％；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.电流信号调理电路图；

图2电流信号调理电路单片机控制流程图。

具体实施方式

请参考图1电流信号调理电路图，该电路由主控电路、电流采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路、基准电路、电源电路组成。

现将该电路按其实现的功能分成几部分进行说明。

主控电路：

此电路的目的是测量高压电流信号经过电流互感器，由它的二次侧端产生的0-75mA交流信号。由于这个交流信号的带负载能力较弱，所以电路的输入电阻不能过大，因此在电路的输入部分用15Ω电阻采样，将0-75mA信号转变为0-1.125V的交流电压信号进行处理。

采集电压信号并对信号进行处理，电路中使用了PIC16F73单片机，此单片机内置4路8位模拟/数字转换电路A/D。将0-1.125V交流信号进行放大和升压处理后送入这些A/D通道，经过处理变为数字信号送出。

数字信号送入8位D/A转换器TLV5620转变为直流电压信号，再经过V/I转换电路输出4-20mA的直流电流信号，此电流信号可带700Ω左右的负载。

电流采样、放大、升压电路：

三项电流输入端分别为Input1、Input2、Input3，在三个输入端并联6V双向瞬变抑制二极管CR1-3和采样电阻R1-3，其中二极管是为了降低干扰信号对电路的作用和破坏，R1-3为采样电阻，产生0-1.125V交流电压；三个输入端分别通过电阻R2、R7、R12接入放大器U5 MXL1013负输入端，同时通过电阻R3、R8、R13接入U5的输出端；由于此信号有一部分处在零电位以下，所以需要将信号整体波形升至零电位之上，电路中采用一个5V基准电压经过分压电阻接在U5的正端将信号提升至零点电位之上，然后信号经过放大送到后面电路中；U5的输出端分别接入单片机U7 PIC16F73的管腿A0、A1、A2。

A/D采集电路：

电路中使用了单片机U7 PIC16F73自带的8位A/D转换功能。此A/D转换器是采用逐次逼近法进行数模转换，其模拟基准电压可用软件编程选择。单片机U7的管腿A3接入5Vref，Vss管腿接地，其管腿9、10之间并联一个晶体Y1和分别通过两个电容C4、C5，接地，形成的振荡电路，为单机片提供工作频率。管腿C1、C2、SCL、C5分别接入D/A转换芯片U8的管腿LDAC、LOAD、CLK、DATA，其中单片机的管腿SCL、C5通过上拉电阻接入电源VCC，使其在没有信号时为高电平；管腿Vdd接入电源VCC，通过滤波电容C6接地，管腿Vss接地；为工作时得到一个可靠的复位信号，在单片机的复位管脚VPP接上复位芯片U9 X25043，它在工作时可为单片机提供一个低电平的复位信号，管腿Vpp接入复位芯片U9X25043的管腿RST，同时通过上拉电阻R18接入电源VCC。

D/A转换电路：

电路中使用了D/A转换芯片U8 TLV5620，其管腿VCC接入5V电源，通过电容C7接地，管腿GND接地；它提供了四路8位D/A转换，输出为直流电压信号，满足了本电路需要三路转换的需要。U8的管腿REFA、REFB、REFC、REFD分别通过电阻R16接入5Vref，同时通过下拉电阻R17接地；U8提供了标准的SPI接口，用它与单片机PIC16F73的SPI进行接口简化了电路和程序的设计；通过管腿DACA、DACB、DACC分别通过由电阻、电位器、运算放大器组成的反相加法器接入V/I转换电路。

V/I转换电路：

在电路中可以通过调节电位器来调节零点和满度，其中标号Wz1、Wz2、Wz3的电位器是当输入为零时，分别为三路输出调节零点；标号Wg1、Wg2、Wg3的电位器是当输入为75mA时，分别为三路输出调节满度。5Vref通过调零电路接入运放器U10的负输入端，同是通过串联阻容滤波电路接地，其正输入端接地，由电源电路为其提供±15V电压，D/A转换芯片U8管腿12、11、10分别通过调满度电路接入U10的负输入端，其中D/A输出的0-5V信号，Vref为5V基准电压，由D/A输出的电压信号和基准信号经过反相加法器后得到-0.2～-1V的电压信号。该电压信号经过V/I转换电路后输出为4-20mA的标准输出电流。V/I转换电路连接如下：U10A的输出端通过电阻接入运算放大器U10B的负输入端，同时通过并联的阻容滤波电路和一个电阻接入U10B的输出端后通过一个电阻接入输出端OUT，U10B的正输入端通过下拉电阻接地，同时经过一个电阻接输出端OUT。

基准电路：

电路使用了基准芯片U2 REF02产生的5V电压作为基准电压，由于电路中有多处使用基准电压，考虑到它的负载能力问题，在5V输出部分加入射级跟随器U6A MXL1013，提高5V的负载能力，该射级跟随器由电源电路为其提供±15V电压。

电源电路：

该电路采用24VDC供电，由于电路中需要5V和±15V电压，这就需要在电路中进行电压变化。电路中处理器和D/A电路需要5V供电，所以使用LM2575-5.0开关式电压转换器件将24V转变为5V供电路使用。为防止电源接反，在电源入口处串联二极管CR4；同时为了防止电源误接高压，在电源输入端并联瞬变抑制二极管CR5，24V电源通过CR4接入U1的管腿VIN，在VIN端与接地端并联一个电解电容，与管腿ON/OFF之间并联电容C1，电压输出端OUT通过电感L1输出5V电压，在电感L1的两端与地之间分别并联一个二极管电CR6和一个电解电容E2。

基准电路、放大电路和V/I电路需要±15V供电，先使用三端稳压器U37815将24V转变为+15V，然后使用U4 7662将+15V反向得到-15V电压。

请参考图2电流信号调理电路单片机控制流程图，由于单片机自带的SPI接口和A/D接口，使程序设计变得非常简单。在程序设计时只需考虑采集什么样的数值能反映输入状态，和如何进行软件滤波。A/D输入的是50Hz的电压信号，只要采集到它的峰峰值即可表示输入的状态，并根据峰峰值决定输出。程序中每次连续采集255个点，每个点的采集时间为100μs左右，整个采集时间为25ms比信号周期20ms多出5ms，从中得到最小值与最大值，并计算出信号的峰峰值。

软件是采用对采集到的峰峰值进行滑动平均滤波的算法，用以保证输出的稳定性。

该用于自动化控制终端的电流信号调理电路，已制成模块，本厂编号和名称为E303B电流调理模块。

模块外型尺寸为：(长)216mm×(宽)118mm×(高)44mm采用ECHOB型盒封装，安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，输出信号可直接通过模拟量输入模块采集。

E303B模块采用24VDC电源供电，采集的是0-75mA交流电流信号，通常此信号是由交流电流互感器的二次侧端提供。输出为标准4-20mA直流信号。输出信号可以用模拟量输入模块采集送至控制器进行处理。

模块使用接线端子与外围电路连接，其中有两个端子为24VDC电源输入；三个端子为4-20mA信号输出；一路为输出信号的公共地，它与电源地短路；其余六个端子分别为1-3路交流信号输入。E303B模块提供三路4-20mA输出。模块使用接线端子与外围电路连接，推荐使用22～12AWG的标准电线。

E303B模块适用于各种控制终端设备中，以测量提供给三相电机的三相电流值，从而判断其电流输入是否正常，用于保护三相电机。现场应用表明，E303B电流调理模块具有应用灵活、精度高、可靠性高、安装使用方便等特点、并可应用于-40℃～70℃的环境温度。适用于野外恶劣的工业现场环境。

Claims (1)

1.一种电流信号调理电路，其特征在于：该电路由主控电路、电流采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路组成，

其电路的具体连接构成如下：

三相电流输入端分别为Input1、Input2、Input3，在三个输入端并联6V双向瞬变抑制二极管CR1、2、3和采样电阻R1、6、11，三个输入端分别通过电阻R2、R7、R12接入放大器MXL1013 2、6、6腿负输入端，同时通过电阻R3、R8、R13接入放大器MXL1013输出端1、7、7腿；电路中采用一个5Vref基准电压经过分压电阻R4、R9、R14接在放大器MXL1013的3、5、5腿正端和通过下拉电阻R5、R10、R15到地，然后信号经过放大送到后面电路中，放大器MXL1013的输出端1、7、7分别接入单片机U7 PIC16F73的管腿2、3、4，放大器MXL1013 U5A的4腿接-15V；

电路中使用了单片机U7 PIC16F73自带的8位A/D转换功能，单片机U7的管腿5接入电源5Vref，管腿8接地，其管腿9、10之间并联一个晶体Y1和分别通过电容C4、C5接地，形成的振荡电路，为单机片提供工作频率，管腿12、13、14、16分别接入D/A转换芯片U8的管腿13、8、7、6，其中单片机的管腿14、16通过上拉电阻R20、R21接入电源VCC，使其在没有信号时为高电平，管腿20接入电源VCC，通过滤波电容C6接地和管腿19，电源VCC接入复位芯片U9的管腿3、8和通过上拉电阻R18接单片机U7的管腿1和复位芯片U9的管腿7，复位芯片U9的管腿1、4、5、6接地，加电时为单片机提供一个低电平的复位信号；

电源5Vref通过串联的电阻R16、R17接地，串联的电阻R16、R17的中点接D/A转换芯片U8的管腿2、3、4、5，D/A转换芯片U8的管腿1腿接地，14腿接电源VCC，管腿1、14间并联电容C7；

D/A转换芯片U8的管腿12通过串联的电阻R22、电位器Wg1、电阻R49、电容C11接地，电位器Wg1和电阻R49的连接点接运算放大器U10A的2腿和通过电阻R24接U10A的1腿，电源5Vref通过串联的电位器Wz1、电阻R23接U10A的2腿，U10A的3腿接地，U10A的8腿接+15V，4腿接-15V，U10A的1腿通过电阻R25接U10B的6腿和通过并联的电阻R27、电容C8再同电阻R29串联接U10B的7腿和通过电阻R30至输出端OUT1，输出端OUT1通过电阻R28接U10B的5腿和通过电阻R26接地；

D/A转换芯片U8的管腿11通过串联的电阻R31、电位器Wg2、电阻R50、电容C12接地，电位器Wg2和电阻R50的连接点接运算放大器U11A的2腿和通过电阻R33接U11A的1腿，电源5Vref通过串联的电位器Wz2、电阻R32接U11A的2腿，U11A的3腿接地，U11A的8腿接+15V，U11A的4腿接-15V，U11A的1腿通过电阻R34接U11B的6腿和通过并联的电阻R36、电容C9再同电阻R50串联接U11B的7腿和通过电阻R39至输出端OUT2，输出端OUT2通过电阻R37接U11B的5腿和通过电阻R35接地；

D/A转换芯片U8的管腿10通过串联的电阻R40、电位器Wg3、电阻R51、电容C13接地，电位器Wg3和电阻R51的连接点接运算放大器U12A的2腿和通过电阻R42接U12A的1腿，电源5Vref通过串联的电位器Wz3、电阻R41接U12A的2腿，U12A的3腿接地，U12A的8腿接+15V，U12A的4腿接-15V，U12A的1腿通过电阻R43接U12B的6腿和通过并联的电阻R45、电容C10再同电阻R47串联接U12B的7腿和通过电阻R48至输出端OUT3，输出端OUT3通过电阻R46接U12B的5腿和通过电阻R44接地。

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