CN109030901A - 一种内置电压电流一体变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置电压电流一体变送器，包括有电源输入调整及稳压电路，分别与电源输入调整及稳压电路的输出端连接的极性反相电路和零点调整电路，以及由四运放组成的电压信号放大电路和电流信号转换电路；电源输入调整及稳压电路包括有一级电源输入稳压电路和二级调整稳压电路。本发明在12‑36V宽电压供电范围内，实现标准电压信号和标准电流信号可以同时输出的目的。

Description

一种内置电压电流一体变送器

技术领域

本发明涉及内置变送器领域，具体是一种内置电压电流一体变送器。

背景技术

变送器(transmitter)是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号(或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源)的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。

内置变送器即设置于传感器内部的变送器，传统的内置变送器只能在确定的条件下，单一、固定的形成一种输出模式。当一款变送器接入传感器内部时，它的输出形式就已经固定无法改变了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种内置电压电流一体变送器，使得在12-36V宽电压供电范围内，实现标准电压信号和标准电流信号可以同时输出的目的。

本发明的技术方案为：

一种内置电压电流一体变送器，包括有电源输入调整及稳压电路，分别与电源输入调整及稳压电路的输出端连接的极性反相电路和零点调整电路，以及由四运放组成的电压信号放大电路和电流信号转换电路；

所述的电源输入调整及稳压电路包括有一级电源输入稳压电路和二级调整稳压电路；

所述的一级电源输入稳压电路包括有电源芯片U3、电感L1、电阻R1、电阻R2和稳压二极管D2，所述的电源芯片U3的输入端与供电电压的输出端连接，电感L1的一端、稳压二极管D2的负极均与电源芯片U3的输出端连接，电阻R2的一端与电感L1的另一端连接作为一级电源输入稳压电路的12V电压输出端，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端、稳压二极管D2的正极均接地；所述的二级调整稳压电路包括有低压稳压芯片U2，低压稳压芯片U2的输入端与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，低压稳压芯片U2的输出端为二级调整稳压电路的5V电压输出端；

所述的极性反相电路包括有反相器U4、电解电容E7和电解电容E8，反相器U4的VCC引脚与二级调整稳压电路的5V电压输出端连接，反相器U4的CAP+引脚与电解电容E7的正极连接，反相器U4的CAP-引脚与电解电容E7的负极连接，反相器U4的GND引脚与电解电容E8的正极均接地，反相器U4的VSS引脚与电解电容E8的负极连接作为极性反相电路的-5V电压输出端；

所述的零点调整电路包括有可调电阻RP2、电阻R3和电阻R4，电阻R3的一端与二级调整稳压电路的5V电压输出端连接，电阻R4的一端接地，电阻R3的另一端与可调电阻RP2的一固定端连接，电阻R4的另一端与可调电阻RP2的另一固定端连接，可调电阻RP2的可调端与传感器的其中一个差分信号线WHITE连接；

所述的电压信号放大电路包括有四运放中的运算放大器U1A和运算放大器U1D、以及可变电阻RP1、电阻R8、电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19，所述的运算放大器U1D的同相输入端与传感器的其中一个差分信号线WHITE连接，所述的运算放大器U1A的同相输入端与传感器的另一个差分信号线GREEN连接,所述的可变电阻RP1的其中一固定端、电阻R16的一端、电阻R19的一端均与运算放大器U1D的反相输入端连接，所述的电阻R8的一端、电阻R17的一端、电阻R18的一端均与运算放大器U1A的反相输入端连接，所述的可变电阻RP1的另一固定端和可调端均与电阻R8的另一端连接，电阻R16的另一端接地，电阻R19的另一端、电阻R18的另一端均与运算放大器U1D的输出端连接，电阻R17的另一端与运算放大器U1A的输出端连接作为电压信号放大电路的输出端；

所述的电流信号转换电路包括有四运放中的运算放大器U1B和运算放大器U1C、以及电阻R7、电阻R10、电阻R14、电阻R15、电阻R20和二极管D3，所述的电阻R20的一端与电压信号放大电路的输出端连接，运算放大器U1B的同相输入端、电阻R15的一端均与电阻R20的另一端连接，运算放大器U1C的反相输入端和输出端均与电阻R15的另一端连接，运算放大器U1B的反相输入端、电阻R7的一端均与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地，运算放大器U1B的输出端、电阻R7的另一端均与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运算放大器U1C的同向输入端均与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极作为电流信号转换电路的输出端；

所述的四运放中的运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C和运算放大器U1D的供电正极输入端均与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，四运放中的运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C和运算放大器U1D的供电负极输入端均与极性反相电路的-5V电压输出端连接。

所述的一级电源输入稳压电路还包括有电解电容E1、电解电容E2、电容C1、电容C2和电容C3，电解电容E1的正极、电容C1的一端均与供电电压的输出端连接，所述的电容C2的一端连接电源芯片U3的反馈FB引脚，电容C2的另一端、电解电容E2的正极、电容C3的一端均与电感L1的另一端连接，电解电容E1的负极、电容C1的另一端、电解电容E2的负极、电容C3的另一端均接地。

所述的二级调整稳压电路还包括有电容C5、电容C6、电容C7和电解电容E3，所述的电容C5的一端与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，所述的电容C6作为旁路电容、其中一端与低压稳压芯片U2的旁路Bypass引脚连接，所述的电容C7的正极、电解电容E3的一端均与低压稳压芯片U2的输出端连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和电解电容E3的负极均接地。

所述的电源芯片U3选用型号为SP3001的电源芯片；所述的低压稳压芯片U2选用SOT-25封装的型号为LP2891-5.0的低压稳压芯片。

所述的反相器U4选用型号为ICL7660的电压反相器。

所述的四运放选用型号为OPA4277UA的四路运算放大器。

本发明的优点：

(1)、本发明的电源输入调整及稳压电路中采用高性能宽电压的电源芯片，实现了变送器在12-36V供电范围内可无损输出并正常工作的目的；

(2)、本发明把各个电路进行模块化设计，使电路简单可靠；

(3)、发明采用电源输入调整及稳压电路经过两级稳压，输出更加稳定，能够有效的保护后级电路；

(4)、本发明采取精确设计，多采用抗***件，抗干扰能力强；

(5)、本发明的电压信号放大电路和电流信号转换电路公用一个四运放，操作方便；

(6)、本发明整体结构小，小巧美观，便于内置安装；

(7)、本发明通用性和可替换性好，调整范围宽，性能稳定，生产成本低，易于批量生产。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明一级电源输入稳压电路的电路图。

图3是本发明二级调整稳压电路的电路图。

图4是本发明极性反相电路的电路图。

图5是本发明零点调整电路的电路图。

图6是本发明电压信号放大电路的电路图。

图7是本发明电流信号转换电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种内置电压电流一体变送器，包括有电源输入调整及稳压电路，分别与电源输入调整及稳压电路1的输出端连接的极性反相电路2和零点调整电路3，以及由四运放组成的电压信号放大电路4和电流信号转换电路5；电源输入调整及稳压电路1包括有一级电源输入稳压电路11和二级调整稳压电路12。

见图2，一级电源输入稳压电路11包括有型号为SP3001的电源芯片U3、电感L1、电阻R1、电阻R2、稳压二极管D2、电解电容E1、电解电容E2、电容C1、电容C2和电容C3，电源芯片U3的输入端即引脚7和8、电解电容E1的正极、电容C1的一端均与供电电压的输出端连接，电感L1的一端、稳压二极管D2的负极均与电源芯片U3的输出端即引脚1和2连接，电容C2的一端连接电源芯片U3的引脚4即反馈FB引脚，电阻R2的一端、电容C2的另一端、电解电容E2的正极、电容C3的一端均与电感L1的另一端连接作为一级电源输入稳压电路的12V电压输出端，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端、稳压二极管D2的正极、电解电容E1的负极、电容C1的另一端、电解电容E2的负极、电容C3的另一端、电源芯片U3的引脚3、5和6均接地；一级电源输入稳压电路把输入电源进行一次稳压，输出一个稳定的、抗干扰能力强的电压，输出大小根据R1、R2的阻值变化而变化。，一次稳压结果为(1+R2/R1)*1.235V，本发明调整在12V左右；由于电源一次稳压得到的电压过大，不方便直接连接运算放大器和传感器及其他器件，因而要对其进行二次稳压。

见图3，二级调整稳压电路12包括有SOT-25封装的型号为LP2891-5.0的低压稳压芯片U2、电容C5、电容C6、电容C7和电解电容E3，低压稳压芯片U2的输入端即引脚1和3、电容C5的一端均与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，电容C6作为旁路电容、其中一端与低压稳压芯片U2的引脚4即旁路Bypass引脚连接，电容C7的正极、电解电容E3的一端均与低压稳压芯片U2的输出端即引脚5连接作为二级调整稳压电路的5V电压输出端，低压稳压芯片U2的引脚2即接地引脚、电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和电解电容E3的负极均接地；SOT-25封装的型号为LP2891-5.0的低压稳压芯片U2具有体积小的优点，便于组装内置变送器。

见图4，极性反相电路2包括有型号为ICL7660的反相器U4、电解电容E7和电解电容E8，反相器U4的VCC引脚即引脚8与二级调整稳压电路的5V电压输出端连接，反相器U4的引脚2即CAP+引脚与电解电容E7的正极连接，反相器U4的引脚4即CAP-引脚与电解电容E7的负极连接，反相器U4的引脚3即GND引脚与电解电容E8的正极均接地，反相器U4的引脚5即VSS引脚与电解电容E8的负极连接作为极性反相电路的-5V电压输出端；在工业环境中运算放大器只能单电源供电，当变送器引入传感器的差分输出信号有正反信号时，孤立的正向电源往往不能形成合理输出，常用反相电压来增加运算放大器芯片的放大能力，本发明采用型号为ICL7660的电压极性反相器，只要供电不超过12V，配合两个10uF/10V的电解电容E7和E8，可快速实现输出反向电压。

见图5，零点调整电路3包括有可调电阻RP2、电阻R3和电阻R4，电阻R3的一端与二级调整稳压电路的5V电压输出端连接，电阻R4的一端接地，电阻R3的另一端与可调电阻RP2的一固定端连接，电阻R4的另一端与可调电阻RP2的另一固定端连接，可调电阻RP2的可调端与传感器的其中一个差分信号线WHITE连接；传感器的输出信号都为差分信号，常规电压运算放大器的输出信号却无法做到差分输出，本发明采用一个可调电阻RP2和2个定值电阻R3和R4组成的零点调整电路对传感器的输出信号进行合理调整。

见图6，电压信号放大电路包括有四运放中的运算放大器U1A和运算放大器U1D、以及可变电阻RP1、电阻R8、电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19，运算放大器U1D的同相输入端即引脚12与传感器的其中一个差分信号线WHITE连接，运算放大器U1A的同相输入端即引脚3与传感器的另一个差分信号线GREEN连接,可变电阻RP1的其中一固定端、电阻R16的一端、电阻R19的一端均与运算放大器U1D的反相输入端即引脚13连接，电阻R8的一端、电阻R17的一端、电阻R18的一端均与运算放大器U1A的反相输入端即引脚2连接，可变电阻RP1的另一固定端和可调端均与电阻R8的另一端连接，电阻R16的另一端接地，电阻R19的另一端、电阻R18的另一端均与运算放大器U1D的输出端即引脚14连接，电阻R17的另一端与运算放大器U1A的输出端即引脚1连接作为电压信号放大电路的输出端；

见图6，根据运放虚短和虚断特性有：公式①I2+I13＝I16；

公式②I2+I5＝I16；

假设R8+RP1＝RG：

根据公式①有

根据公式②有

因为R16＝R17＝R18＝R19，所以公式③+④得：

整理得：

最后得到

又因为V2及V13的电位与传感器的两根信号线GREEN和WHITE的电位相同，所以V2-V13就是传感器的输出信号，因而，我们得出结论：

可见，传感器的放大倍数是定值，倍数为

上述的I2为运算放大器U1A的引脚2的反相电流值，I13为运算放大器U1D的引脚13的反相电流值，I5为流过电阻R18的电流值，I16为流过电阻R16的电流值，V2为运算放大器U1A的引脚2的反相输入端电压，V13为运算放大器U1D的引脚13的反相输入端电压，V14为运算放大器U1D的引脚14的输出端电压，VOUT为电压信号放大电路的输出电压。

见图7，电流信号转换电路包括有四运放中的运算放大器U1B和运算放大器U1C、以及电阻R7、电阻R10、电阻R14、电阻R15、电阻R20和二极管D3，电阻R20的一端与电压信号放大电路的输出端连接，运算放大器U1B的同相输入端即引脚5、电阻R15的一端均与电阻R20的另一端连接，运算放大器U1B、电阻R7和电阻R14组成一个基本反相放大电路，运算放大器U1C、电阻R15和电阻R20组成电压跟随器电路，运算放大器U1C的反相输入端即引脚9和输出端即引脚8均与电阻R15的另一端连接，运算放大器U1B的反相输入端即引脚6、电阻R7的一端均与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地，运算放大器U1B的输出端即引脚7、电阻R7的另一端均与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运算放大器U1C的同向输入端即引脚10均与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极作为电流信号转换电路的输出端；

见图7，在电压跟随器电路中，I20＝I15推出由于VC＝VD、R20＝R15，即推导得到

反相放大器电路中，I14＝I7推出由于VA＝V6、R14＝R7，即推导得到

根据公式⑤和⑥得到：即VB-VC＝VOUT⑦；

又因为所以

从公式⑧可以看出，整个线路板是用电压控制电流，达到电压和电流同时输出的目的。

上述的I20为流过电阻R20的电流值，I15为流过电阻R15的电流值，I14为流过电阻R14的电流值，I7为流过电阻R7的电流值，VC为电流信号转换电路的输出电压即运算放大器U1C的同相输入端电压，VD为运算放大器U1C的输出端电压，VA为运算放大器U1B的同相输入端电压，VB为运算放大器U1B的输出端电压。

四运放中的运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C和运算放大器U1D的供电正极输入端均与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，四运放中的运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C和运算放大器U1D的供电负极输入端均与极性反相电路的-5V电压输出端连接。

常规的变送器放大效率不太稳定，而且价格还偏高，在一些干扰性强一点环境内，无法正确采集到放大器的输出信号，再加上放大器本身功耗不稳定，所以常规内置变送器精度不太高，会出现温漂，本发明的四运放选用型号为OPA4277UA的四路运算放大器来实现传感器信号放大输出，OPA4277UA四运放是美国BB公司推出的高精度运放OP277系列中的四通道品种，改善了噪声、输出峰值电压输出能力特性并且以一半的静态电流提供了2倍的速度，且自身功耗较低，仅为2mA，漂移量较小，还具有极低的输入失调电压、低输入偏置电流、高共模信号抑制比和电源抑制比、通道版本一致性的优点。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种内置电压电流一体变送器，其特征在于：包括有电源输入调整及稳压电路，分别与电源输入调整及稳压电路的输出端连接的极性反相电路和零点调整电路，以及由四运放组成的电压信号放大电路和电流信号转换电路；

所述的电源输入调整及稳压电路包括有一级电源输入稳压电路和二级调整稳压电路；

所述的一级电源输入稳压电路包括有电源芯片U3、电感L1、电阻R1、电阻R2和稳压二极管D2，所述的电源芯片U3的输入端与供电电压的输出端连接，电感L1的一端、稳压二极管D2的负极均与电源芯片U3的输出端连接，电阻R2的一端与电感L1的另一端连接作为一级电源输入稳压电路的12V电压输出端，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端、稳压二极管D2的正极均接地；所述的二级调整稳压电路包括有低压稳压芯片U2，低压稳压芯片U2的输入端与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，低压稳压芯片U2的输出端为二级调整稳压电路的5V电压输出端；

所述的极性反相电路包括有反相器U4、电解电容E7和电解电容E8，反相器U4的VCC引脚与二级调整稳压电路的5V电压输出端连接，反相器U4的CAP+引脚与电解电容E7的正极连接，反相器U4的CAP-引脚与电解电容E7的负极连接，反相器U4的GND引脚与电解电容E8的正极均接地，反相器U4的VSS引脚与电解电容E8的负极连接作为极性反相电路的-5V电压输出端；

所述的零点调整电路包括有可调电阻RP2、电阻R3和电阻R4，电阻R3的一端与二级调整稳压电路的5V电压输出端连接，电阻R4的一端接地，电阻R3的另一端与可调电阻RP2的一固定端连接，电阻R4的另一端与可调电阻RP2的另一固定端连接，可调电阻RP2的可调端与传感器的其中一个差分信号线WHITE连接；

所述的电压信号放大电路包括有四运放中的运算放大器U1A和运算放大器U1D、以及可变电阻RP1、电阻R8、电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19，所述的运算放大器U1D的同相输入端与传感器的其中一个差分信号线WHITE连接，所述的运算放大器U1A的同相输入端与传感器的另一个差分信号线GREEN连接,所述的可变电阻RP1的其中一固定端、电阻R16的一端、电阻R19的一端均与运算放大器U1D的反相输入端连接，所述的电阻R8的一端、电阻R17的一端、电阻R18的一端均与运算放大器U1A的反相输入端连接，所述的可变电阻RP1的另一固定端和可调端均与电阻R8的另一端连接，电阻R16的另一端接地，电阻R19的另一端、电阻R18的另一端均与运算放大器U1D的输出端连接，电阻R17的另一端与运算放大器U1A的输出端连接作为电压信号放大电路的输出端；

所述的电流信号转换电路包括有四运放中的运算放大器U1B和运算放大器U1C、以及电阻R7、电阻R10、电阻R14、电阻R15、电阻R20和二极管D3，所述的电阻R20的一端与电压信号放大电路的输出端连接，运算放大器U1B的同相输入端、电阻R15的一端均与电阻R20的另一端连接，运算放大器U1C的反相输入端和输出端均与电阻R15的另一端连接，运算放大器U1B的反相输入端、电阻R7的一端均与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地，运算放大器U1B的输出端、电阻R7的另一端均与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运算放大器U1C的同向输入端均与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极作为电流信号转换电路的输出端；

所述的四运放中的运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C和运算放大器U1D的供电正极输入端均与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，四运放中的运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C和运算放大器U1D的供电负极输入端均与极性反相电路的-5V电压输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种内置电压电流一体变送器，其特征在于：所述的一级电源输入稳压电路还包括有电解电容E1、电解电容E2、电容C1、电容C2和电容C3，电解电容E1的正极、电容C1的一端均与供电电压的输出端连接，所述的电容C2的一端连接电源芯片U3的反馈FB引脚，电容C2的另一端、电解电容E2的正极、电容C3的一端均与电感L1的另一端连接，电解电容E1的负极、电容C1的另一端、电解电容E2的负极、电容C3的另一端均接地。

3.根据权利要求1所述的一种内置电压电流一体变送器，其特征在于：所述的二级调整稳压电路还包括有电容C5、电容C6、电容C7和电解电容E3，所述的电容C5的一端与一级电源输入稳压电路的12V电压输出端连接，所述的电容C6作为旁路电容、其中一端与低压稳压芯片U2的旁路Bypass引脚连接，所述的电容C7的正极、电解电容E3的一端均与低压稳压芯片U2的输出端连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和电解电容E3的负极均接地。

4.根据权利要求1所述的一种内置电压电流一体变送器，其特征在于：所述的电源芯片U3选用型号为SP3001的电源芯片；所述的低压稳压芯片U2选用SOT-25封装的型号为LP2891-5.0的低压稳压芯片。

5.根据权利要求1所述的一种内置电压电流一体变送器，其特征在于：所述的反相器U4选用型号为ICL7660的电压反相器。

6.根据权利要求1所述的一种内置电压电流一体变送器，其特征在于：所述的四运放选用型号为OPA4277UA的四路运算放大器。