专利名称：电气隔离的简约型直流模拟量变送输出模块的制作方法
技术领域：
本发明电气隔离的简约型直流模拟量变送输出模块，涉及一种信号转换为4-20mA直流模拟量技术领域，特别涉及工业现场的信号转为4-20mA直流模拟量信号传送到远端的技术领域。
背景技术：
目前的4_20mA模拟量变送电路大都是没有电气隔离，或者有电气隔离但是电路结构却比较复杂，变送精度不够高，抗干扰性差，安全性差，使得电气隔离后的PWM信号波形失真，操作应用起来不方便。
发明内容
本发明的目的是为了克服带有电气隔离的4_20mA模拟量变送输出电路结构复杂，变送精度不够高，抗干扰性差，控制方式不够简便的不足，设计由PWM控制的一种电气隔离的简约型直流模拟量变送输出模块。其采用的技术方案是包括PWM控制信号输入接口、+24V电源输入接口、4-20mA直流模拟量信号输出接口、电气隔离模块、信号调理模块、4-20mA转换模块、以及输出滤波保护模块，其特征在于PWM控制信号输入接口与电气隔离模块连接，电气隔离模块与信号调理模块连接，信号调理模块与直流4-20mA转换模块连接，直流4-20mA转换模块与输出滤波保护模块连接，输出滤波保护模块与4-20mA直流模拟量信号输出接口连接，+24V电源输入接口与直流4-20mA转换模块连接，所述的控制信号为PWM脉宽调制信号，所述的PWM控制信号与4-20mA输出模块之间有光耦芯片的电气隔离，并且采用了高速光耦芯片，所述的在信号调理模块中，通过电气隔离的PWM信号，利用轨对轨运算放大器组成比较器，与+2. 5V参考电压相比较，所述的4-20mA转换芯片，采用+24V电源供电，通过直流控制信号实现4-20mA转换的同时，还输出了 +5V电源和+2. 5V参考电压供外围电路使用，所述的4-20mA直流信号，经滤波保护模块的输出过程中，利用并接电容实现抑制差模干扰，利用串接共模电感实现抑制共模干扰，利用并接TVS实现尖峰干扰电压的吸收。实施该技术后的明显效果是首先是克服了上述缺陷，由于带有电气隔离的4-20mA直流模拟量变送模块整体电路结构简单，放到实际电路板上体积小巧，达到变送精度高，由于PWM信号只需两根信号线，所以控制方式简单，易于集成到工业控制器的电路当中，又由于带有电气隔离和输出滤波保护，安全性高，抗干扰性强，使得电气隔离后的PWM信号波形不失真。
图I为本发明的电路原理具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述见附图1，电气隔离的简约型4_20mA直流模拟量变送输出模块的原理图中已标示各元器件的型号，市场采购元器件按原理图连接就可实现4-20mA直流模拟量变送输出功能，其主要的连接是PWM控制信号输入接口与电气隔离模块连接，电气隔离模块与信号调理模块连接，信号调理模块与直流4-20mA转换模块连接，直流4-20mA转换模块与输出滤波保护模块连接，输出滤波保护模块与4-20mA直流模拟量信号输出接口连接，+24V电源输入接口与直流4-20mA转换模块 连接。PWM控制信号输入接口由端子Pl组成，Pl的2脚为PWM控制信号，Pl的2脚与U301的2脚相连，Pl的I脚为PWM控制信号的参考地，Pl的I脚与U301的3脚相连；电气隔离模块由高速光耦芯片U301、电阻R 302组成，U301的6脚与电阻R302、电阻R303相连，U301的8脚与+5V相连，U301的5脚与GND相连，U301的I脚、4脚、7脚为空引脚；信号调理模块由具有轨对轨输出特性的运算放大器U302B、U302A、电阻R303、电阻R304、电阻R305、电容C301等组成，U302B用于比较器电路，R305、C301用于RC低通滤波，U302A用于跟随缓冲器电路，U302B的5脚与R 303连接，U302B的6脚与R304相连，U302B的7脚与R305相连，R305与C301和R 306相连，R306与U302A的3脚相连，U302A的2脚与电阻R307相连，U302A的I脚与电阻R301相连；直流4_20mA转换模块由4-20mA转换芯片U303、三极管Q301组成，U303的7脚与+24V电源相连，同时Q301的2脚也连接到+24V电源，U303的5脚和6脚分别于Q301的3脚和I脚相连，U303的8脚输出+5V电源，U303的I脚输出+2. 5V基准电压，U301的2脚为控制输入并与信号调理模块的输出经电阻R301相连，U303的3脚为输出的+5V电源和+2. 5V基准电压的参考地并与GND连接，U303的4脚为4_20mA转换输出并与L301连接；所输出滤波保护模块由共模电感L 301、瓷片电容C304、TVS保护管D301组成，L301的3脚与+24V电源的参考地+24VGND连接，L301的I脚和2脚与C304和D301并联相连；4_20mA直流模拟量信号输出接口由端子P3组成，P3的2脚为4-20mA电流的流出端，P3的I脚为4_20mA电流的回流端；所述的+24V电源输入接口由端子P2组成，P2的I脚为+24V，P2的2脚为+24V参考地+24VGND。见附图1，以下进一步说明电路的工作原理+24V电源给4_20mA转换芯片供电，4-20mA转换芯片本身输出一组+5V电源和+2. 5V基准电压，+5V电源给光耦芯片和运放芯片供电，+2. 5V基准电压给比较器电路提供参考电压，PWM控制信号经过电气隔离模块的高速光I禹隔离后，输出为波形有一定畸变、幅值不稳定的PWM信号，由于光I禹的供电电压为5V，所以隔离后的PWM信号幅值不超过5V，隔离后的PWM信号输入到信号调理模块的比较器电路，比较器电路由具有轨对轨输出特性的运算放大器构成，比较器电路的参考电压为4-20mA转换芯片输出的+2. 5V基准电压，由于比较器电路的特性和运放的轨对轨输出的特性，比较器电路输出是幅值稳定、波形为标准方波的PWM信号，再经过RC低通滤波电路后成为稳定的直流电压信号，直流电压信号再经过由运算放大器组成的跟随器缓冲输出后，作为4-20mA转换芯片的控制信号，4-20mA转换芯片把直流控制电压信号变送为对应的4-20mA信号，4-20mA转换芯片输出的4_20mA信号再经过共模电感、电容、TVS组成的滤波保护电路后，作为模块最终输出的4-20mA信号。PWM控制信号为脉宽调制信号，改变PWM信号的占空比，就可经模块变换到对应的4mA到20mA范围内的直流。
权利要求
1.PWM控制的带有电气隔离的4-20mA直流模拟量信号变送输出模块，包括PWM控制信号输入接口、+24V电源输入接口、4-20mA直流模拟量信号输出接口、电气隔离模块、信号调理模块、4-20mA转换模块、以及输出滤波保护模块，其特征在于PWM控制信号输入接口与电气隔离模块连接，电气隔离模块与信号调理模块连接，信号调理模块与直流4-20mA转换模块连接，直流4-20mA转换模块与输出滤波保护模块连接，输出滤波保护模块与4-20mA直流模拟量信号输出接口连接，+24V电源输入接口与直流4-20mA转换模块连接。
2.根据权利要求I所述的带有电气隔离的4-20mA直流模拟量信号变送输出模块，其特征在于控制方式简单，控制信号为PWM脉宽调制信号。
3.根据权利要求I所述的带有电气隔离的4-20mA直流模拟量信号变送输出模块，其特征在于PWM控制信号与4-20mA输出模块之间有光稱芯片的电气隔离，并且米用了高速光耦芯片，使得电气隔离后的PWM信号波形不失真。
4.根据权利要求I所述的带有电气隔离的4-20mA直流模拟量信号变送输出模块，其特征在于在信号调理模块中，通过电气隔离的PWM信号，利用轨对轨(rail to rail)运算放大器组成比较器，与+2. 5V参考电压相比较，使得比较后的PWM信号幅值稳定，再经低通滤波后，得到了精确、稳定的直流控制信号，再经运算放大器构成的跟随器电路缓冲输出后连接到4-20mA转换芯片的控制端。
5.根据权利要求I所述的带有电气隔离的4-20mA直流模拟量信号变送输出模块，其特征在于选用的4-20mA转换芯片，采用+24V电源供电，通过直流控制信号实现4_20mA转换的同时，还输出了 +5V电源和+2. 5V参考电压供外围电路使用，从而使得电路设计得到了简化。
6.根据权利要求I所述的带有电气隔离的4-20mA直流模拟量信号变送输出模块，其特征在于转换后的4-20mA直流信号，经滤波保护模块的输出过程中，利用并接电容实现抑制差模干扰，利用串接共模电感实现抑制共模干扰，利用并接TVS实现尖峰干扰电压的吸收，从而保护了内部电路并有较强的抗干扰性。
全文摘要
电气隔离的简约型直流模拟量变送输出模块。PWM控制信号输入接口与电气隔离模块连接，电气隔离模块与信号调理模块连接，信号调理模块与直流4-20mA转换模块连接，直流4-20mA转换模块与输出滤波保护模块连接，输出滤波保护模块与4-20mA直流模拟量信号输出接口连接，+24V电源输入接口与直流4-20mA转换模块连接。与现有技术相比较，由于带有电气隔离的4-20mA直流模拟量变送模块整体电路结构简单，变送精度高，由于控制方式简单，易于集成到工业控制器的电路当中，又由于带有电气隔离和输出滤波保护，安全性高，抗干扰性强，使得电气隔离后的PWM信号波形不失真。
文档编号H02M3/28GK102790528SQ201110125348
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者刘巍峰, 刘悦, 孙旭熹, 张峰, 王晓辉 申请人:上海华建电力设备股份有限公司