CN102346464A - 一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置 - Google Patents

一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置 Download PDF

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甘朝晖
朱平平
吕坤
尚涛
李纯朴
陈波
王维鹏
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Abstract

本发明涉及一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置。其方案是：D/A转换器(2)的电压输出端AOUT和数据输入端DI0-DI7分别与电流输出型运算放大器(4)的电压输入端VIN1和CPU模块(1)的数据输出端P1.0-P1.7对应连接，电压输出型运算放大器(7)的电压输入端VIN2和电压输出端VOUT端分别与采样电阻(5)的采样输出端VSP和A/D转换器(8)的电压输入端AIN对应连接；CPU模块(1)的数据输入端P2.0-P2.7与A/D转换器(8)的数据输出端Do0-Do7连接；CPU模块(1)的指令接收端RX外接上位机，电流输出型运算放大器(4)的电流输出端IOUT和采样电阻(5)的采样输入端IIN分别外接负载的电流输入端IL1和电流输出端IL2。本发明输出电流精度高、操作简单和稳定性好。

Description

一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置
技术领域
本发明属于直流输出装置技术领域。具体涉及一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置。
背景技术
在工业现场，如果采集的信号经调理后是电压信号并且进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线很容易受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电源也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，工业现场大量采用直流电流来传输信号。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻理论上是无穷小的，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。因此，很多工业控制仪表中均要求有0～20mA或4～20mA直流模拟量输出功能。针对0～20mA或4～20mA的直流模拟量输出，目前主要的解决方案有以下几种：
集成芯片方案。如TI公司提供的电压/电流转换芯片XTR111以及ADI公司提供的芯片AD694等。不过此类芯片容易受到外界环境的干扰，使输出电流的精度降低。
分立元件方案。此类方案多依靠运算放大器、三极管以及电阻等组成电压/电流转换电路。此类电路也能较为精确地实现稳定电流输出的功能，并且成本低廉。因此目前大多数仪表的0～20mA或4～20mA电流输出信号都是用各种复杂的电路实现的。不过此类电路的缺陷是调整复杂、麻烦，电流输出精度不高，另外，随着电路复杂度的增加，故障发生的概率也增加。因此此类电路也逐渐不能适应产品的研发与应用。
发明内容
本发明旨在克服上述技术不足，目的是提供一种电路结构简单、输出电流精度高、操作简单和稳定性好的0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该输出装置由CPU模块、电压/电流转换模块和采样反馈模块组成。CPU模块的数据输出端P1.0-P1.7与电压/电流转换模块连接，CPU模块的数据输入端P2.0-P2.7与采样反馈模块连接，CPU模块的指令接收端RX外接上位机。
电压/电流转换模块由D/A转换器和电流输出型运算放大器组成。D/A转换器的电压输出端AOUT和电流输出型运算放大器的电压输入端VIN1连接，D/A转换器的数据输入端DI0-DI7与CPU模块的数据输出端P1.0-P1.7连接，电流输出型运算放大器的电流输出端IOUT外接负载的电流输入端IL1。
采样反馈模块由采样电阻、电压输出型运算放大器和A/D转换器组成。电压输出型运算放大器的电压输出端VOUT与A/D转换器的电压输入端AIN连接，电压输出型运算放大器的电压输入端VIN2与采样电阻的采样输出端VSP连接；A/D转换器的数据输出端Do0-Do7和CPU模块的数据输入端P2.0-P2.7连接；采样电阻的采样输入端IIN外接负载的电流输出端IL2。
上述技术方案中，所述的上位机为计算机、单片机、FPGA和DSP中的一种；D/A转换器的电压输出端AOUT的电压输出范围和A/D转换器的电压输入端AIN的电压输入范围相同。
由于采用上述技术方案，本发明由CPU模块、电压/电流转换模块和采样反馈模块组成，结构简单。在使用时，该输出装置能够自动调节，用户操作简单。只需通过用户指令对该输出装置的CPU模块进行设定，设定的直流模拟电流IS为0～20mA或4～20mA范围内的任一值；该输出装置便自动进行如下循环，使输出的直流模拟电流IO与设定的直流模拟电流IS相同。
第一步：如果循环次数N＝1，根据设定的直流模拟电流IS，CPU模块为D/A转换器设定一个数字量的初始电压值，D/A转换器再将数字量的初始电压值转换成调节中的直流模拟电压V1；如果循环次数N＞1，则CPU模块为D/A转换器设定一个调节中的数字量的输出电压值，D/A转换器再将调节中的数字量的输出电压值转换成调节中的直流模拟电压V1；
第二步：调节中的直流模拟电压V1通过电流输出型运算放大器转换成调节中的直流模拟电流IR，同时进行放大或衰减，以保证调节中的直流模拟电流IR在0～20mA或4～20mA范围内，调节中的直流模拟电流IR外接负载；
第三步：采样电阻将负载反馈回来的调节中的直流模拟电流IR转换成反馈直流模拟电压V2，电压输出型运算放大器将采样电阻所转换的反馈直流模拟电压V2进行放大或衰减，以保证放大或衰减后的直流模拟电压V3在A/D转换器的输入范围内，同时保证调节中的数字量的电压值所表示的电流值和数字量的初始电压值所表示的电流值一致；
第四步：A/D转换器将放大或衰减后的直流模拟电压V3转换成数字量的输入电压值，CPU模块将数字量的输入电压值与数字量的初始电压值进行比较，根据这两个电压值的差值将调节中的数字量的输出电压值进行向上或者向下调节；若数字量的输入电压值等于数字量的初始电压值，CPU模块将不再调节调节中的数字量的输出电压值；若数字量的输入电压值大于数字量的初始电压值，CPU模块将调节中的数字量的输出电压值向下调节；若数字量的输入电压值小于数字量的初始电压值，CPU模块将调节中的数字量的输出电压值向上调节；
重复执行上述步骤中的第一步～第四步，依此循环，使数字量的输入电压值始终等于数字量的初始电压值，实现了该闭环调节过程输出的直流模拟电流值IO＝IS，达到用户要求。
此外，本发明采用的闭环反馈控制既保证了输出的直流模拟电流IO的精度(理论上可以做到0～20mA或4～20mA直流模拟电流的误差为0)，又保证了即使在有较大的干扰信号或者是电路某些部分功能失准的情况下，该输出装置依旧能够快速自动调节，以保证输出的直流模拟电流IO与设定的直流模拟电流IS一致。
因此，本发明具有电路结构简单、输出电流精度高、操作简单和稳定性好的特点，该装置具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制。
实施例
一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置。如图1所示，该输出装置由CPU模块1、电压/电流转换模块3和采样反馈模块6组成。CPU模块1的数据输出端P1.0-P1.7与电压/电流转换模块3连接，CPU模块1的数据输入端P2.0-P2.7与采样反馈模块6连接，CPU模块1的指令接收端RX外接上位机。
电压/电流转换模块3由D/A转换器2和电流输出型运算放大器4组成。D/A转换器2的电压输出端AOUT和电流输出型运算放大器4的电压输入端VIN1连接，D/A转换器2的数据输入端DI0-DI7与CPU模块1的数据输出端P1.0-P1.7连接，电流输出型运算放大器4的电流输出端IOUT外接负载的电流输入端IL1。
采样反馈模块6由采样电阻5、电压输出型运算放大器7和A/D转换器8组成。电压输出型运算放大器7的电压输出端VOUT与A/D转换器8的电压输入端AIN连接，电压输出型运算放大器7的电压输入端VIN2与采样电阻5的采样输出端VSP连接；A/D转换器8的数据输出端Do0-Do7和CPU模块1的数据输入端P2.0-P2.7连接；采样电阻5的采样输入端IIN外接负载的电流输出端IL2。
本具体实施方式中，上位机为计算机、单片机、FPGA和DSP中的一种；D/A转换器2的电压输出端AOUT的电压输出范围和A/D转换器8的电压输入端AIN的电压输入范围相同。
本具体实施方式由CPU模块1、电压/电流转换模块3和采样反馈模块6组成，结构简单。
在使用时，该输出装置能够自动调节，用户操作简单。只需通过用户指令对该输出装置的CPU模块1进行设定，设定的直流模拟电流IS为0～20mA或4～20mA范围内的任一值；该输出装置便自动进行如下循环，使输出的直流模拟电流IO与设定的直流模拟电流IS相同。
第一步：如果循环次数N＝1，根据设定的直流模拟电流IS，CPU模块1为D/A转换器2设定一个数字量的初始电压值，D/A转换器2再将数字量的初始电压值转换成调节中的直流模拟电压V1；如果循环次数N＞1，则CPU模块1为D/A转换器2设定一个调节中的数字量的输出电压值，D/A转换器2再将调节中的数字量的输出电压值转换成调节中的直流模拟电压V1；
第二步：调节中的直流模拟电压V1通过电流输出型运算放大器4转换成调节中的直流模拟电流IR，同时进行放大或衰减，以保证调节中的直流模拟电流IR在0～20mA或4～20mA范围内，调节中的直流模拟电流IR外接负载；
第三步：采样电阻5将负载反馈回来的调节中的直流模拟电流IR转换成反馈直流模拟电压V2，电压输出型运算放大器7将采样电阻5所转换的反馈直流模拟电压V2进行放大或衰减，以保证放大或衰减后的直流模拟电压V3在A/D转换器8的输入范围内，同时保证调节中的数字量的电压值所表示的电流值和数字量的初始电压值所表示的电流值一致；
第四步：A/D转换器8将放大或衰减后的直流模拟电压V3转换成数字量的输入电压值，CPU模块1将数字量的输入电压值与数字量的初始电压值进行比较，根据这两个电压值的差值将调节中的数字量的输出电压值进行向上或者向下调节；若数字量的输入电压值等于数字量的初始电压值，CPU将不调节调节中的数字量的输出电压值；若数字量的输入电压值大于数字量的初始电压值，CPU模块1将调节中的数字量的输出电压值向下调节；若数字量的输入电压值小于数字量的初始电压值，CPU将调节中的数字量的输出电压值向上调节；
重复执行上述步骤中的第一步～第四步，依此循环，使数字量的输入电压值始终等于数字量的初始电压值，实现了该闭环调节过程输出的直流模拟电流值IO＝IS，达到用户要求。
此外，本具体实施方式采用的闭环反馈控制既保证了输出的直流模拟电流IO的精度(理论上可以做到0～20mA或4～20mA直流模拟电流的误差为0)，又保证了即使在有较大的干扰信号或者是电路某些部分功能失准的情况下，该输出装置依旧能够快速自动调节，以保证输出的直流模拟电流IO与设定的直流模拟电流IS一致。
因此，本具体实施方式具有电路结构简单、输出电流精度高、操作简单和稳定性好的特点，该装置具有十分广阔的应用前景。

Claims (2)

1.一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置，其特征在于该输出装置由CPU模块(1)、电压/电流转换模块(3)和采样反馈模块(6)组成；CPU模块(1)的数据输出端P1.0-P1.7与电压/电流转换模块(3)连接，CPU模块(1)的数据输入端P2.0-P2.7与采样反馈模块(6)连接，CPU模块(1)的指令接收端RX外接上位机；
电压/电流转换模块(3)由D/A转换器(2)和电流输出型运算放大器(4)组成；D/A转换器(2)的电压输出端AOUT和电流输出型运算放大器(4)的电压输入端VIN1连接，D/A转换器(2)的数据输入端DI0-DI7与CPU模块(1)的数据输出端P1.0-P1.7连接，电流输出型运算放大器(4)的电流输出端IOUT外接负载的电流输入端IL1；
采样反馈模块(6)由采样电阻(5)、电压输出型运算放大器(7)和A/D转换器(8)组成；电压输出型运算放大器(7)的电压输出端VOUT与A/D转换器(8)的电压输入端AIN连接，电压输出型运算放大器(7)的电压输入端VIN2与采样电阻(5)的采样输出端VSP连接；A/D转换器(8)的数据输出端Do0-Do7和CPU模块(1)的数据输入端P2.0-P2.7连接；采样电阻(5)的采样输入端IIN外接负载的电流输出端IL2。
2.根据权利要求1所述的0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置，其特征在于所述的上位机为计算机、单片机、FPGA和DSP中的一种。
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