专利名称：安全栅输出电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种了工业现场二次仪表安全栅输出电路，具体地说是一种 将前级单片机产生的PWM信号，经过隔离、滤波、恒流源控制电路进行隔离转换 成标准的(4~20) mA电流或(1~5) V电压信号的输出电路。
背景技术：
安全栅在石油、化工、制造、冶金、水泥、工矿、电力、船舶等行业普遍使 用，它的主要用途就是工业信号的隔离、转换和传递。由于工业现场的环境条件 是很复杂的，存在各种干扰，如感应干扰、电火花和电晕放电千扰、电气设备
频率干扰、天体放电等干扰，通过不同的耦合方式电容耦合、电磁耦合、共阻 抗耦合、漏电流耦合等方式，进入测量系统，使测量结桌愤离准确偉，-严重肘会 让测量系统不能正常工作，因此要对工业信号进行午扰抑制，就是采取隔离措施。 隔离就是破坏干扰途径、切断干扰耦合的通道，从而达到抑制干扰的一种技术措 施。常见的隔离方法有光电隔离、电磁隔离、调制隔离。另外，现场传感器所 产生的信号是非标信号或信号通道数不足，需要用到安全栅进行信号的转换或分 配，然后送往后级系统使用。安全栅广泛应用于防爆等领域的工业仪表前端信号 处理，对提高工业生产过程自动控制系统的抗干扰能力，保证控制系统稳定性和 可靠性有非常重要的作用，但是目前的安全栅的输出上存在如下不足1、功耗大； 2、稳定性差；3、温度特性差；4、抗干扰能力差；5、输出漂移大等，所以寻求 一种安全栅低功耗、稳定性好、温度特性好、抗干扰能力强、输出漂移小的输出 电路是必要和迫切的。
实用新型内容
发明目的本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供 一种功耗低、稳定性好、温度特性好、抗干扰能力强、输出漂移小的安全栅输出 电路。
技术方案本实用新型公开了一种新型安全栅输出电路，包括依次连接的光 电隔离部分、分压部分、滤波部分和恒流源控制部分；
所述光电隔离部分包括光耦、第一三极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻; 所述第一电阻连接在光耦的漏极回路电源电压端；光耦输出端与第一三极管基极 连接，在第一三极管的发射极与基极之间连接第二电阻，在第一三极管集电极连 接第三电阻；所述分压部分包括第二MOS管、电压基准发生器、第四电阻、第五电阻、第 六电阻、第七电阻、第八电阻，第二MOS管和第六电阻串联成一个对电源分压电 路，第四电阻、第五电阻对输入信号进行分压；第二MOS管的漏极还与电压基准 发生器和第七电阻连接，第七电阻与第八电阻串联；
所述滤波部分包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第一电容、第二电容、 第三电容构成三级滤波电路，其中与第七电阻连接的第九电阻与第十电阻、第十 一电阻依次串联，第一电容并联在第九电阻与地之间，第二电容并联在第十电阻 与地之间，第三电容并联在第十一电阻与地之间；
所述恒流源控制部分包括第二放大器、第三M0S管、第十二电阻、第十三电 阻、第十四电阻和第五电容，第二放大器的同向输入端与第十一电阻连接，第二 放大器的输出端、第十二电阻以及第三M0S管的栅极依次串联，第三M0S管的栅 极依的源极还与第二放大器的反向输入端以及第十四电阻连接，第五电容与第十 四电阻并联。
本实用新型中，光耦在导通时，输出端同电阻形成负反馈，并且电阻同三极
管的配合使用，解决光耦拖尾现象。
本实用新型中，输出电路对应于输入电路的互逆设计。
本实用新型中，优选地，所述第二MOS管的漏极为电流输出端。
本实用新型中，优选地，第十四电阻阻值范围为0.5 50欧。
有益效果本实用新型所述的新型安全栅输出电路具有以下优点(1)降低
整机功耗，减小发热量；(2)提高输出信号的抗干扰能力；(3)减小了死区范围，
提高了输出信号精确度；(4)减小输出漂移；减小输出非线性；输出稳定性好；(5)
输出信号纹波小；(6)温度特性好。
以下结合附图
和具体实施方式
对本实用新型做更进一步的具体说明。 图示为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
如图所示，本实用新型所述的新型安全栅输出电路包括光电隔离部分、分压 部分、滤波部分、恒流源控制部分。光电隔离部分包括光耦U1、第一三极管Q1、 第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3， Ul是常用的隔离器件光耦，第二电阻 R2同第一三极管Q1的配合使用，解决了光耦的拖尾现象;分压部分包括第二MOS 管Q2、电压基准发生器U5、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电 阻R7、第八电阻R8，第二 MOS管Q2和第六电阻R6串联成一个对电源分压电路，第四电阻R4、第五电阻R5两电阻对信号进行分压，可减小采样电阻上的电压； 第九电阻R9、第十电阻RIO、第H^—电阻R11和第一电容C1、第二电容C2、第 三电容C3构成三级滤波电路，使得输出信号更稳定，纹波更小；恒流源控制部分 则由第二放大器U2、第三M0S管Q3、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四 电阻R14、第五电容C5组成，在作为采样电阻的第十四电阻R14上并联第五电容 C5，提高了输出电路的抗干扰性能。第三M0S管Q3的漏极与电路负输出端以及第 四电容C4连接，第四电容C4另一端与电路正输出端以及第一二极管Dl的阴极 连接，第一二极管的阳极与光耦U1连接。本实用新型中光电隔离部分将前级单片 机产生的PWM信号与输出部分进行隔离，将输入端与输出端的耦合回路切断，将 串入输入回路的地环流、自然和人为的干扰信号抑制。
更具体地说，本实用新型所述的新型安全栅输出电路具有以下几大特征
1、 低功耗
本实用新型电路在降低整机功耗，减小发热量方面作了如下设计
1) 输出电路供电电压不同，电路增加一组负电源，运放输入、输出电压范围 增大，同样电压供电，带载能力更强。
2) 电路中第十四电阻R14采用小阻值电阻进行信号取样，这样输出时保证带 负载能力不变的情况下，可减少在第十四电阻R14上的压降，电阻阻值范围0.5 50 欧。
3) —般电路中，输出是在MOS管的源极，这样将电流回路中的负载引入了 反馈回路，导致MOS管可控的GS电压范围减小。如输出20mA，外部负载250 欧时，运放输出电压范围将减小。本实用新型电路中的电流从MOS管的漏极输出， 可以避免这个问题。
4) 增加第四电阻R4、第五电阻R5两个电阻分压，可以减小输出的采样电阻 值，减小了采样电阻上消耗的电压，这样在同样电压情况下就可以带更大的负载。
综上所述，同样的带负载能力，本实用新型电路中的功耗更低。整机工作功 耗明显降低，实际应用时对于现场额定容量的电源，可配电的仪表数量增加了。 同时功耗的降低，意味着发热量的减小，使得现场密集安装时整体发热量也大大 降低，减小了温度漂移对指标产生的影响。
2、 抗干扰
一般输出电路的电流在受到低频干扰时、或者在接某些高速采集设备时，稳 定性较差。在抗干扰方面，本实用新型电路在电流输出端并联电容，在采样电阻 上并联电容，大大提高输出抗干扰性能。3、 死区范围小
由PWM控制电流的输出电路当输出电流较小时，输出电路存在死区，如输出 〈50uA时无法正确输出，存在非线性。新电路中对输出电路形式作了如下的改变
第二 MOS管Q2和第六电阻R6串联成一个对电源分压电路，理论上当输出 OmA时，分压后的电压为O才最好，但由于第二M0S管Q2完全导通时仍然存在 一个微小导通电阻，这样分压后仍然存在一个不为零的较小电压。现通过增大第 六电阻R6的阻值，改变了分压比值，可以使分压后的小电压更小，从而使可控输 出电流更低。
通过以上改进，使得可控准确电流可以降至16uA以下，减小了死区范围，满 足了 0~20mA信号在量程低端时0.1%的精度要求。
4、 温漂特性
另外输出电路隔离部分用作隔离的光耦，其上升、下降沿受温度影响较大， 温度漂移较为严重，从而影响输出。本实用新型电路针对这个器件的不足，作了 如下设计
(1) 光耦在导通时，输出端同第一电阻R1形成负反馈，降低了温度的影响；
(2) 第二电阻R2同三极管Q1的使用，解决了光耦的拖尾现象；
(3) 合理的选择了光耦的工作区；
(4) 改进了布板工艺，改善了温漂特性；
(5) 与输入电路相对应，采用了互逆设计。
通过以上改进，使得输出电路的温度特性大大改善，在安全栅工作环境条件 下温漂系数优于50ppmTC 。
本实用新型可让安全栅降低整机功耗，减小发热量，减小温度漂移，增加电 源的带载能力；提高输出信号的抗干扰能力；增加输出端口保护功能，可实现热 插拔；最小可控输出小，减小了死区范围，提高了输出信号精确度；减小输出漂 移；减小输出非线性；输出稳定性好；输出信号纹波小；温度特性好；产品一致 性好；环境适应性更强；降低生产故障率，提高了产品的可靠性，从而能更好的 保证工业现场控制系统的稳定性和可靠性。
本实用新型提供了一种安全栅输出电路的思路及方法，具体实现该技术方案 的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于 本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做 出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例 中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。
权利要求1、一种安全栅输出电路，包括依次连接的光电隔离部分、分压部分、滤波部分和恒流源控制部分，其特征在于所述光电隔离部分包括光耦、第一三极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一电阻连接在光耦的漏极回路电源电压端；光耦输出端与第一三极管基极连接，在第一三极管的发射极与基极之间连接第二电阻，在第一三极管集电极连接第三电阻；所述分压部分包括第二MOS管、电压基准发生器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻，第二MOS管和第六电阻串联成一个对电源分压电路，第四电阻、第五电阻对输入信号进行分压；第二MOS管的漏极还与电压基准发生器和第七电阻连接，第七电阻与第八电阻串联；所述滤波部分包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第一电容、第二电容、第三电容构成三级滤波电路，其中与第七电阻连接的第九电阻与第十电阻、第十一电阻依次串联，第一电容并联在第九电阻与地之间，第二电容并联在第十电阻与地之间，第三电容并联在第十一电阻与地之间；所述恒流源控制部分包括第二放大器、第三MOS管、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻和第五电容，第二放大器的同向输入端与第十一电阻连接，第二放大器的输出端、第十二电阻以及第三MOS管的栅极依次串联，第三MOS管的栅极依的源极还与第二放大器的反向输入端以及第十四电阻连接，第五电容与第十四电阻并联。
2、 根据权利要求l所述的安全栅输出电路，其特征在于所述第二MOS管的漏极为电流输出端。
3、 根据权利要求l所述的安全栅输出电路，其特征在于所述第十四电阻阻值范围为0.5~50欧。
专利摘要本实用新型公开了一种安全栅输出电路，包括光电隔离部分、分压部分、滤波部分、恒流源控制部分，光电隔离部分包括光耦、第一三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻；分压部分包括第二MOS管、电压基准发生器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻；第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第一电容、第二电容、第三电容构成三级滤波电路；恒流源控制部分则由第二放大器、第三MOS管、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第五电容组成，在作为采样电阻的第十四电阻上并联第五电容。优点在于降低整机功耗，减小发热量；提高输出信号的抗干扰能力；减小了死区范围，提高了输出信号精确度；减小输出漂移；减小输出非线性。
文档编号G05F1/10GK201274024SQ20092003754
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月11日 优先权日2009年2月11日
发明者健 董, 韩绍盈 申请人:南京优倍电气有限公司