CN104749414B - 一种自适应变送器电流平均值电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种自适应变送器电流平均值电路,由模拟开关电流平均值单元、输入信号比较单元、逻辑控制单元、电流平均值放大变送单元组成,设有4个电流输入端,1个平均值电流变送输出端,能够自动判别各电流输入端的输入电流是否输入并有效,将有效的输入端电流平均值计算出来,并从平均值电流变送输出端输出。所述电路可以用在需要计算多个变送器电流的平均值并输出的场合。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域,特别涉及一种自适应变送器电流平均值电路。
背景技术
在很多情况下,同一参数测量的结果需要使用多点测量值的平均值。当测量***的传感器输入通道数量不够,特别是测量***在设计之初是使用单个参数测量变送器进行参数测量与变送,需要增加参数测量变送器的数量,改成使用多点测量值的平均值方案时,测量***将面临需要重新设计的情况。
发明内容
本发明的目的是为多点测量电流值的平均值计算提供一种解决方案,即能够自动判断计算多个变送器电流的平均值并输出的电路。
为了实现上述目的,本发明提供了一种自适应变送器电流平均值电路,由模拟开关电流平均值单元、输入信号比较单元、逻辑控制单元、电流平均值放大变送单元组成。
所述模拟开关电流平均值单元包括多路开关分流支路1-4;所述多路开关分流支路1-4各设有1个电流输入端,多路开关分流支路1-4的电流输入端分别输入电流I1-I4;所述模拟开关电流平均值单元还设有分流输出端。
所述多路开关分流支路1由取样电阻R1、多路开关U1以及分流电阻R11、分流电阻R12、分流电阻R13、分流电阻R14组成;取样电阻R1串联在输入电流I1回路中,其输入电流I1流出端连接至公共地;取样电阻R1的输入电流I1流入端设为取样电压V1输出端;多路开关U1包括有公共端X和4个通道端X0-X3,通断选择控制端A、B,以及使能控制端INH;分流电阻R11、分流电阻R12、分流电阻R13、分流电阻R14的一端分别连接至U1的4个通道端X0-X3,另外一端并联至分流输出端;U1的公共端X连接至取样电阻R1的输入电流I1流入端。
所述多路开关分流支路2由取样电阻R2、多路开关U2以及分流电阻R21、分流电阻R22、分流电阻R23、分流电阻R24组成;多路开关分流支路3由取样电阻R3、多路开关U3以及分流电阻R31、分流电阻R32、分流电阻R33、分流电阻R34组成;多路开关分流支路4由取样电阻R4、多路开关U4以及分流电阻R41、分流电阻R42、分流电阻R43、分流电阻R44组成;多路开关分流支路2-4的结构与多路开关分流支路1相同;所述取样电阻R2的输入电流I2流入端设为取样电压V2输出端;所述取样电阻R3的输入电流I3流入端设为取样电压V3输出端;所述取样电阻R4的输入电流I4流入端设为取样电压V4输出端。
所述多路开关U1-U4均设有通断选择控制端B、A和使能控制端INH。
所述模拟开关电流平均值单元还包括有电阻R0;电阻R0的两端分别连接至分流输出端和公共地。
所述输入信号比较单元由4个比较器CA1-CA4和电位器RW1组成;电位器RW1的滑动端为比较电压阈值端VREF,比较电压阈值端VREF连接至所有4个比较器CA1-CA4的负输入端;比较器CA1-CA4的正输入端分别连接至取样电压V1-V4,输出端输出开关控制信号SW1-SW4。
所述开关控制信号SW1-SW4分别连接至多路开关U1-U4的使能控制端INH。
所述逻辑控制单元为组合逻辑电路,输入是开关控制信号SW1-SW4,输出多路开关控制信号S2、S1;
开关控制信号SW1-SW4与多路开关控制信号S2、S1之间的逻辑关系是:
所述多路开关U1-U4的通断选择控制端B并联后连接至多路开关控制信号S2,通断选择控制端A并联后连接至多路开关控制信号S1。
所述电流平均值放大变送单元由电流变送器U01和三极管V01、电容C01组成。
所述多路开关分流支路1-4中各电阻参数为:
其中,R为取样电阻的阻值,范围在50Ω-200Ω;k为电流平均值放大变送单元的电流放大倍数。
本发明与现有技术相比,其有益效果是:需要计算电流平均值的变送器数量,可以是所述电路最大输入端子数量之内的任意值;需要计算平均值的多个变送器电流,可以任意选择输入端接入;所述电路能够直接输出多个变送器电流的平均值;当有输入变送器电流环路开路时,所述电路能够自动计算剩余有效工作的变送器电流的平均值并输出。
附图说明
图1为电路的结构框图。
图2为模拟开关电流平均值单元。
图3为输入信号比较单元。
图4为逻辑控制单元。
图5为电流平均值放大变送单元。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
本发明的结构框图如图1所示,一种自适应变送器电流平均值电路,由模拟开关电流平均值单元、输入信号比较单元、逻辑控制单元、电流平均值放大变送单元组成。
模拟开关电流平均值单元如图2所示。
模拟开关电流平均值单元设有分流输出端,包括4条结构与参数相同的多路开关分流支路1-4,每条多路开关分流支路设有1个电流输入端,每个电流输入端都可以接入1个变送器电流环路。
多路开关分流支路1由取样电阻R1、多路开关U1以及分流电阻R11、R12、R13、R14组成。
取样电阻R1串联在输入电流I1回路中,其输入电流I1流出端连接至公共地;取样电阻R1的输入电流I1流入端设为取样电压V1输出端。多路开关U1包括有公共端X和4个通道端X0-X3,通断选择控制端A、B,以及使能控制端INH。分流电阻R11、R12、R13、R14的一端分别连接至U1的4个通道端X0-X3,另外一端并联至分流输出端;U1的公共端X连接至取样电阻R1的输入电流I1流入端。
多路开关分流支路2由取样电阻R2、多路开关U2以及分流电阻R21、R22、R23、R24组成;多路开关分流支路3由取样电阻R3、多路开关U3以及分流电阻R31、R32、R33、R34组成;多路开关分流支路4由取样电阻R4、多路开关U4以及分流电阻R41、R42、R43、R44组成。多路开关分流支路2-4的结构与多路开关分流支路1相同。
多路开关U1-U4的通断选择控制端B、A都分别连接至多路开关控制信号S2、S1;多路开关U1-U4的使能控制端INH分别连接至开关控制信号SW1-SW4。
所述模拟开关电流平均值单元还包括有电阻R0;电阻R0的两端分别连接至分流输出端和公共地。
多路开关U1-U4均选择多路模拟开关器件CD4052。
输入信号比较单元如图3所示。
输入信号比较单元由4个比较器CA1-CA4和电位器RW1组成,电位器RW1的滑动端为比较电压阈值端VREF,比较电压阈值端VREF连接至了所有4个比较器CA1-CA4的负输入端;比较器CA1-CA4的正输入端分别连接至取样电压V1-V4,输出端输出开关控制信号SW1-SW4。
比较器CA1-CA4选择LM339。
逻辑控制单元示意图如图4所示。
逻辑控制单元为组合逻辑电路,输入信号是SW1-SW4,输出多路开关控制信号S2、S1。图4的逻辑功能采用ROM实现。
电流平均值放大变送单元如图5所示,由电流变送器U01和三极管V01、电容C01组成。电流变送器U01选择XTR115。三极管V01的集电极、基极、发射极分别连接至电流变送器U01的电源端U+、基极端B、发射极端E;电容C01的一端连接至电流变送器U01的电源端U+,另外一端连接至电流变送器U01的变送电流输出端Iout。
电流变送器U01的电流输入端Iin为变送电流输入端,IRET为变送电流返回端;电流变送器U01的变送电流输出端Iout和电源端U+共同组成平均值电流变送输出端IOUT。电流变送器U01的变送电流返回端IRET连接至公共地,变送电流输入端Iin为虚地端。
所述自适应变送器电流平均值电路由直流电源+VCC供电。
上述自适应变送器电流平均值电路的工作原理是:
开关控制信号SW1-SW4低电平有效,其有效时,多路开关U1-U4的使能控制端INH相应有效,多路开关工作,公共端X与多路开关控制信号S2、S1选择的通道端接通;其无效时,多路开关的公共端X与所有通道端均断开。
电流输入端接入的输入电流有效范围是4-20mA,电流输入端未接或者故障开路时,输入电流小于4mA。以输入电流I1为例,I1流经取样电阻R1转换为取样电压V1,输入信号比较单元对取样电压V1进行判别,得到开关控制信号SW1;当取样电压V1大于比较电压阈值VREF时,输入电流I1有效,开关控制信号SW1有效;否则,开关控制信号SW1无效。
在4个电流输入端中,设有p个输入端接入了变送器电流环路且输入电流有效,p为大于等于1、小于等于n的整数;则与该p个输入电流相应的p个开关控制信号有效,对应的p条多路开关分流支路的多路开关导通,对各自的输入电流进行分流;该p条多路开关分流支路的分流电流在分流输出端汇总。分流输出端连接至了变送电流输入端,变送电流输入端为虚地端,即与公共地为等电位点。
设IΣ为该p个输入电流值之和,则电流平均值放大变送单元输出的平均值电流为该p个输入电流的平均值,即
IOUT=I∑/p。
或者说,平均值电流IOUT为该p个电流输入端每个输入电流的1/p电流之和。每个输入电流的1/p电流由模拟开关电流平均值单元中的多路开关分流支路实现。
电流平均值放大变送单元对输入电流放大后再变送输出,即
IOUT=k·ISUM
式中,k是电流平均值放大变送单元的电流放大倍数,ISUM为模拟开关电流平均值单元的分流输出端电流。因此,多路开关分流支路的分流比例是1/(kp)。
逻辑控制单元依据开关控制信号SW1-SW4产生多路开关控制信号S2、S1,S2、S1与开关控制信号SW1-SW4的逻辑关系见表1。
表1
SW1 | SW2 | SW3 | SW4 | S2 | S1 |
0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 | 1 | × | × |
表1中,当开关控制信号SW1-SW4中全部无效时,S2、S1可以取任意值,此时SW1-SW4信号控制开关K11-K41全部断开,ISUM等于0,平均值电流IOUT等于0。表1的逻辑功能采用ROM实现,U5是ROM存储器,有16个单元,每个单元有2位数据;表1中S2、S1的内容依次存入0-15号单元中,开关控制信号SW1-SW4分别连接至U5的地址端A0-A3,S2、S1分别连接至U5的数据端D1、D0。
与表1相应的逻辑表达式为
多路开关控制信号S2、S1的二进制编码信号二进制值分别为0-3时,多路开关的通断端X0-X3与其公共端X接通。
多路开关分流支路1-4中各电阻参数计算如下,设取样电阻的阻值为R,图5所示电流平均值放大变送单元的电流放大倍数为k,有
R的取值范围在50Ω-200Ω。例如,选择R=100Ω,且图5所示电流平均值放大变送单元的电流放大倍数k=100时,则有
当在4个电流输入端中,没有输入端输入电流有效时,多路开关分流支路的开关均断开,ISUM等于0。电阻R0的作用是降低此时变送电流输入端的输入阻抗。由于变送电流输入端为虚地端,所以电阻R0上没有电流流过。
判断输入电流是否有效的VREF取值与取样电阻的阻值有关,即
VREF≤0.004R。
选择R=100Ω时,VREF值可取0.39V;如果要求判断输入电流是否有效的边界裕量较大时,也可取较小的VREF值,如VREF=0.3V。
在n个电流输入端中,可以任意选择其中的任意个接入需要计算平均值的变送器电流环路;已经接入的变送器电流环路中,有p个电流输入端的输入电流有效时,所述电流平均值电路具有自动判断与自适应功能,电流变送电路输出的平均值电流IOUT为该p个电流输入端输入电流的平均值。
以上所述仅为本发明的实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种自适应变送器电流平均值电路,其特征在于:
由模拟开关电流平均值单元、输入信号比较单元、逻辑控制单元、电流平均值放大变送单元组成;
所述模拟开关电流平均值单元包括多路开关分流支路1-4;所述多路开关分流支路1-4各设有1个电流输入端,多路开关分流支路1-4的电流输入端分别输入电流I1-I4;所述模拟开关电流平均值单元还设有分流输出端;
所述多路开关分流支路1由取样电阻R1、多路开关U1以及分流电阻R11、分流电阻R12、分流电阻R13、分流电阻R14组成;取样电阻R1串联在输入电流I1回路中,其输入电流I1流出端连接至公共地;取样电阻R1的输入电流I1流入端设为取样电压V1输出端;多路开关U1包括有公共端X和4个通道端X0-X3,通断选择控制端A、B,以及使能控制端INH;分流电阻R11、分流电阻R12、分流电阻R13、分流电阻R14的一端分别连接至U1的4个通道端X0-X3,另外一端并联至分流输出端;U1的公共端X连接至取样电阻R1的输入电流I1流入端;
所述多路开关分流支路2由取样电阻R2、多路开关U2以及分流电阻R21、分流电阻R22、分流电阻R23、分流电阻R24组成;多路开关分流支路3由取样电阻R3、多路开关U3以及分流电阻R31、分流电阻R32、分流电阻R33、分流电阻R34组成;多路开关分流支路4由取样电阻R4、多路开关U4以及分流电阻R41、分流电阻R42、分流电阻R43、分流电阻R44组成;多路开关分流支路2-4的结构与多路开关分流支路1相同;所述取样电阻R2的输入电流I2流入端设为取样电压V2输出端;所述取样电阻R3的输入电流I3流入端设为取样电压V3输出端;所述取样电阻R4的输入电流I4流入端设为取样电压V4输出端;
所述多路开关U1-U4均设有通断选择控制端B、A和使能控制端INH;
所述模拟开关电流平均值单元还包括有电阻R0;电阻R0的两端分别连接至分流输出端和公共地;
所述输入信号比较单元由4个比较器CA1-CA4和电位器RW1组成;电位器RW1的滑动端为比较电压阈值端VREF,比较电压阈值端VREF连接至所有4个比较器CA1-CA4的负输入端;比较器CA1-CA4的正输入端分别连接至取样电压V1-V4,输出端输出开关控制信号SW1-SW4;
所述开关控制信号SW1-SW4分别连接至多路开关U1-U4的使能控制端INH;
所述逻辑控制单元为组合逻辑电路,输入是开关控制信号SW1-SW4,输出多路开关控制信号S2、S1;
开关控制信号SW1-SW4与多路开关控制信号S2、S1之间的逻辑关系是:
所述多路开关U1-U4的通断选择控制端B并联后连接至多路开关控制信号S2,通断选择控制端A并联后连接至多路开关控制信号S1;
所述电流平均值放大变送单元由电流变送器U01和三极管V01、电容C01组成;
所述多路开关分流支路1-4中各电阻参数为:
其中,R为取样电阻的阻值,范围在50Ω-200Ω;k为电流平均值放大变送单元的电流放大倍数。
2.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值电路,其特征在于:所述多路开关U1-U4均选择多路模拟开关器件CD4052。
3.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值电路,其特征在于:所述逻辑控制单元的逻辑功能采用ROM实现。
4.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值电路,其特征在于:所述比较器CA1-CA4选择LM339。
5.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值电路,其特征在于:所述电流变送器U01选择XTR115。
6.如权利要求5所述的自适应变送器电流平均值电路,其特征在于:所述三极管V01的集电极、基极、发射极分别连接至电流变送器U01的电源端U+、基极端B、发射极端E;电容C01的一端连接至电流变送器U01的电源端U+,另外一端连接至电流变送器U01的变送电流输出端Iout;电流变送器U01的电流输入端Iin为变送电流输入端,IRET为变送电流返回端;电流变送器U01的变送电流输出端Iout和电源端U+共同组成平均值电流变送输出端IOUT;电流变送器U01的变送电流返回端IRET连接至公共地。
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