CN2590282Y - 模拟量输出电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种模拟量输出电路，电路提供了4路模拟量输出，用接线端子与外围电路连接。外部24V电源给输出电路供电，通过数据总线接入主控电路，从主控制器传来的控制信号通过单片机PIC输出四路脉宽信号，PIC的使能信号通过光耦控制三态门的使能端，经过三阶积分电路，根据脉宽的宽度变化来形成一个直流电压信号，经过比例放大器输出，经过分压网络、运放器控制场效应管的导通，从而使(4－20mA输出或0－20mA)电流信号从场效应管输出。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，得到64个模拟量输出点。输出部分同逻辑电路采用光耦隔离，可以抵抗现场信号的干扰，安装方便快捷。

Description

模拟量输出电路
技术领域
本实用新型涉及一种输出电路，特别是指一种工业过程自动化控制终端设备对现场需要模拟量控制的模拟量输出电路，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，可以控制电动阀门、电机控制器、温度控制器以及其它需要模拟信号控制的设备。
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量进行控制的电路，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输出电路，输出信号失真、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出电路，输出端通过接线端子与电动阀门、电机控制器、温度控制器以及其它需要模拟信号控制的设备连接使用。4路模拟量输出；提供4-20mA输出或0-20mA输出，输出范围可由电路板上的一位拨码开关设定。输出为12位分辨率。输出部分同逻辑电路隔离，并有瞬变保护；将一个负载电阻接到输出端可得到电压输出，电压范围由负载电阻决定。实际上在电流环可提供的电压范围内，可输出任何电压值；模拟电路部分电源由外接24V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，得到64个模拟量输出点。
本实用新型的目的可以通过以下措施来达到：
一种模拟量输出电路，该电路由控制部分和输出部分两部分组成，该电路构成如下：
控制部分：
模拟量输出电路通过数据总线与主控电路相连，单片机PIC U1的管腿13、14、15分别接入一个上拉电阻R1与电源VCC相连，同时通过数据总线同主控制器相连，PIC的管腿C2接入数据总线P1-10，PIC的管腿SCL接入P1-12，PIC的管腿SDA接入P1-14；
P1-16通过电阻R2接入由3个与非门组成的复位电路，电源Vcc接入与非门U2A的输入端1和U2C的输入端9，另一输入端2通过电阻R2接入数据总线P1-16，U2A输出端3接入U2B的输入端4，电源VCC通过并联的反相二极管CR2、电阻R3接到U2B的输入端5，U2B输出端6与与非门U2C的输入端10相接，U2C输出端8与单片机U1的1腿Vpp相连；
PIC的25、26、27、28管腿分别接入地址拨码开关SW1的16、15、14、13端PIC的22端接入SW1的9端，设定输出范围，SW1的1、2、3、4、8端接地；单片机U1的9、10腿间并联晶体振荡器Y1、各接电容C16、C17组成的振荡电路到地，单片机PIC的8、19腿接地，20腿接电源Vcc；
PIC的管腿2、3、4、5通过限流电阻R6分别接入光耦U5B、U5C、U5D、U5E 6N136的管腿D+端，光耦U5B、U5C、U5D、U5E 6N136的管腿D-端接地，PIC的管腿7通过电阻R5接入光耦片U5的D-端，五个光耦U5A-E的管腿D接入24V+，管腿E接19V，光耦U5A的D+端接电源Vcc，光耦U5A的管腿C接入三态门U6A的使能端，24V+通过上拉电阻R7和滤波电容C6也接入三态门U6A-D的使能端，其它四个光耦的管腿C分别接入三态门U6B-D的输入端，电源24V通过上拉电阻R8分别接入三态门U6B-D的输入端，三态门U6B-D的输出端形成四路输出脉宽信号A、B、C、D；
输出部分：
四路输出脉宽信号A、B、C、D分别经过由电阻R9、电容C7组成的三阶积分电路，分别接入比例运算放大器U8的正输入端，24V+通过电阻10、R11接入运放器U8的负输入端，其运放器U8的输出端通过一个电位器R12和电阻R11接入其负输入端，29V电压分别接入运放器U8、U9的电源输入端，三阶积分电路的电容公共端接至输出端；
U8输出端通过由电阻R13、R14组成的分压网络接入运放器U9的负输入端，U9的输出端通过电容C11接入U9的负输入端，同时通过电阻R15接入场效应管Q1的g极，场效应管Q1的s极通过电阻R17接入24V+，U9的正输入端通过电阻R16接入Q1的s极，场效应管Q1的D极与地之间形成四路输出端，并在其输出端之间并联电容CR5。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点：
模拟量输出电路可以提供4-20mA输出或0-20mA输出，输出范围可由电路板上的一位拨码开关设定；输出为12位分辨率；输出部分同逻辑电路通过光耦隔离，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；在25℃，250Ω负载时，精度为0.05％×满量程，在整个温度范围内，0-1000Ω负载时，精度为0.2％×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.模拟量输出电路的方块图；
图2.模拟量输出电路的控制部分；
图3.模拟量输出电路的输出部分。
具体实施方式
请参考图1模拟量输出电路的方块图，该电路由控制部分和输出部分两部分组成，控制部分由单片机PIC、光耦片、振荡电路、地址拨码开关、三端稳压电路、复位电路等构成，输出部分由积分电路、运放器控制的场效应管、电源电路等组成。
请参考图2模拟量输出电路的控制部分，模拟量输出电路通过数据总线与主控电路相连，单片机PIC U1的管腿13、14、15分别接入一个上拉电阻R1与电源VCC相连，同时通过数据总线同主控制器相连。PIC的管腿C2接入数据总线P1-10，PIC的管腿SCL接入P1-12，PIC的管腿SDA接入P1-14；P1-16通过电阻R2接入由3个与非门组成的复位电路后，接入PIC的1腿VPP，PIC的25、26、27、28管腿分别接入地址拨码开关SW1的16、15、14、13端；PIC的22端接入SW1的9端，设定输出范围，SW1的1、2、3、4、8端接地；由一个晶体与两个电容组成的晶体振荡电路接入单片机PIC的9、10管腿，为单片机PIC提供工作频率；PIC的管腿2、3、4、5通过限流电阻R6分别接入光耦U5 6N136的管腿D+端，PIC的管腿7通过电阻R5接入光耦片U5的D-端，通过PIC的管腿7 A5输出使能信号，通过光耦控制三态门U6 54HC126的使能端，五个光耦U5A-E的管腿D接入24V电源，管腿E接19V电源，光耦U5A的管腿C接入三态门U6A的使能端。其它四个光耦的管腿C分别接入三态门U6B-D的输入端。
请参考图3.模拟量输出电路的输出部分，四路输出脉宽信号，通过三态门U6经过由电阻R9、电容C7组成的三阶积分电路，形成一个直流电压信号(根据脉宽信号的宽度来变化)，分别接入比例运算放大器U8的正输入端，24V电源通过电阻接入运放器U8的负输入端，其运放器U8的输出端通过一个电位器和一个电阻接入其负输入端，运放器U8的电源由倍压电路提供。输出端通过由电阻R13组成的分压网络和运放器U9控制场效应管Q1的导通，在R17与Q1的接口处，产生一个电压，电压是由负输入端电压值决定的，在电阻R17上产生一个电流值，此电流通过场效应管Q1输出。此电路中需要24V和19V、5V的供电，通过一个三端稳压电路输出一个19V的电压，19V电压通过倍压电路产生29V电压给运放器提供电源，同时通过可调5V稳压器，在U4的2、3两端之间产生5V的电压，为三态门供电。
下面结合线路图，对本实用新型作进一步说明。
模拟量输出用16位带符号数。将少于16位分辨率的数据转化为16位数据。四路模拟量输出电路有一个12位、无极性的A/D转换器。在输出信号范围内共有4096个A/D计数点。
0-20mA、4-20mA输出范围：
    D/A值     0-20mA电流     4-20mA电流
    0     0mA     4mA
    8192     5mA     8mA
    16384     10mA     12mA
    24576     15mA     16mA
    32760     19.996mA     19.996mA
模拟量输出电路将4路模拟量输出添加到I/O系统中。I/O总线上可安装16块E106模块，得到64个模拟量输出点。可以提供4-20mA输出或0-20mA输出，输出范围可由电路板上的一位拨码开关设定。输出为12位分辨率。输出部分同逻辑电路隔离，并有瞬变保护。将一个负载电阻接到输出端可得到电压输出，电压范围由负载电阻决定。实际上在电流环可提供的电压范围内，可输出任何电压值。
下表列出电压范围的设定：
    电压范围     电阻     输出范围
    0-5V     250Ω     0-20mA
    1-5V     250Ω     4-20mA
    0-10V     500Ω     0-20mA
该用于自动化控制终端的模拟量输出电路，已制成模块，本厂编号和名称为E106模拟量输出模块，E106模拟量输出电路采用B型盒，尺寸为(长)118mm×(宽)108mm×(高)44mm，安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，连接到系统I/OBUS总线上。
E106模拟输出模块提供20mA模拟量输出，输出信号与I/O总线的5V电源是隔离的。这些输出彼此是不隔离的，它们有公共地。
E106模块用接线端子与外围电路连接。推荐使用22～12AWG的标准电线。可以控制电动阀门、电机控制器、温度控制器以及其它需要模拟信号控制的设备。
现说明该E106模拟量输出模块应用实例，现以ECHO锅炉干度控制仪为例，说明E106模拟量输出模块的控制过程及作用，ECHO高压直流式蒸汽锅炉的干度控制仪，其主要目的是通过调节变频器来调节水量或通过电气转换器来调节火量，从而达到调节干度值的目的，它由主控模块、数字量输入/输出模块、数字量输出模块、模拟量输入模块(E106)、温度调理模块、热电偶调理模块、信号调理模块等组成。
E106模拟量输出模块有四路模拟量输出，信号类型为4～20mA。模块输出的模拟信号用来控制变频器的给定频率和锅炉火量大小。
现场应用表明，E106模拟量输出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)

1.一种模拟量输出电路，其特征在于：该电路由控制部分和输出部分两部分组成，该电路构成如下：
控制部分：
模拟量输出电路通过数据总线与主控电路相连，单片机PIC U1的管腿13、14、15分别接入一个上拉电阻R1与电源VCC相连，同时通过数据总线同主控制器相连，PIC的管腿C2接入数据总线P1-10，PIC的管腿SCL接入P1-12，PIC的管腿SDA接入P1-14；
P1-16通过电阻R2接入由3个与非门组成的复位电路，电源Vcc接入与非门U2A的输入端1和U2C的输入端9，另一输入端2通过电阻R2接入数据总线P1-16，U2A输出端3接入U2B的输入端4，电源VCC通过并联的反相二极管CR2、电阻R3接到U2B的输入端5，U2B输出端6与与非门U2C的输入端10相接，U2C输出端8与单片机U1的1腿Vpp相连；
PIC的25、26、27、28管腿分别接入地址拨码开关SW1的16、15、14、13端；PIC的22端接入SW1的9端，设定输出范围，SW1的1、2、3、4、8端接地；单片机U1的9、10腿间并联晶体振荡器Y1、各接电容C16、C17组成的振荡电路到地，单片机PIC的8、19腿接地，20腿接电源Vcc；
PIC的管腿2、3、4、5通过限流电阻R6分别接入光耦U5B、U5C、U5D、U5E 6N136的管腿D+端，光耦U5B、U5C、U5D、U5E 6N136的管腿D-端接地，PIC的管腿7通过电阻R5接入光耦片U5的D-端，五个光耦U5A-E的管腿D接入24V+，管腿E接19V，光耦U5A的D+端接电源Vcc，光耦U5A的管腿C接入三态门U6A的使能端，24V+通过上拉电阻R7和滤波电容C6也接入三态门U6A-D的使能端，其它四个光耦的管腿C分别接入三态门U6B-D的输入端，电源24V通过上拉电阻R8分别接入三态门U6B-D的输入端，三态门U6B-D的输出端形成四路输出脉宽信号A、B、C、D；
输出部分：
四路输出脉宽信号A、B、C、D分别经过由电阻R9、电容C7组成的三阶积分电路，分别接入比例运算放大器U8的正输入端，24V+通过电阻10、R11接入运放器U8的负输入端，其运放器U8的输出端通过一个电位器R12和电阻R11接入其负输入端，29V电压分别接入运放器U8、U9的电源输入端，三阶积分电路的电容公共端接至输出端；
U8输出端通过由电阻R13、R14组成的分压网络接入运放器U9的负输入端，U9的输出端通过电容C11接入U9的负输入端，同时通过电阻R15接入场效应管Q1的g极，场效应管Q1的s极通过电阻R17接入24V+，U9的正输入端通过电阻R16接入Q1的s极，场效应管Q1的D极与地之间形成四路输出端，并在其输出端之间并联电容CR5。
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CN100336084C (zh) * 2005-03-08 2007-09-05 浙江中控自动化仪表有限公司 信号输出装置
CN100359420C (zh) * 2004-05-13 2008-01-02 安徽鑫龙电器股份有限公司 一种可用于可编程控制器模拟量输入电路
CN107787091A (zh) * 2017-11-17 2018-03-09 上海阿卡得电子有限公司 一种拨码式led多级调光电路

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