一種電流輸出電路及其電流輸出方式的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電流輸出電路及其電流輸出方式，該電路包括：基準(zhǔn)單元、信號切換單元及電流輸出單元，基準(zhǔn)單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓信號輸入到信號切換單元，控制器的輸出信號也輸入到信號切換單元；信號切換單元用于將基準(zhǔn)電壓信號和控制器的輸出信號由共地偏移到共電源；信號切換單元的輸出輸入到電流輸出單元；電流輸出單元用于將信號切換單元的輸出通過精密電阻進(jìn)行反饋和信號切換單元的輸出進(jìn)行比較，然后輸出最終共電源的電流。該方式包括：將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移到共電源；通過精密電阻實(shí)現(xiàn)電流的信號反饋和共電源輸出。本發(fā)明只需一個(gè)精密電阻就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的信號輸出要求，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
【專利說明】
一種電流輸出電路及其電流輸出方式
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種電流輸出電路及其電流輸出方式。
【背景技術(shù)】
[0002]電流輸出電路適用于工業(yè)控制、樓宇控制等現(xiàn)場，它的主要應(yīng)用是控制工業(yè)或樓宇現(xiàn)場的變頻器、閥門等對象，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場各種參數(shù)和樓宇環(huán)境的自動(dòng)控制。
[0003]目前而言，4-20mA/0-20mA電流信號是一種IEC(國際電工委員會(huì))規(guī)定的應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場和樓宇控制中的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)，用于信號的輸入和輸出，對于控制系統(tǒng)的輸出，電流信號主要用于控制閥門的開度或者電機(jī)的速度控制從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制。隨著變頻技術(shù)的不斷應(yīng)用，由于大功率電機(jī)變速、啟停、開關(guān)閉合對控制系統(tǒng)設(shè)備的干擾也越來越大，對控制系統(tǒng)也有的影響，所以一般輸出電路都采用隔離的方式來抑制外接的噪聲干擾。
[0004]在電流輸出電路中電流源共電源和電流源共地兩種最為常見，如圖1和圖2所示。圖1為電流源共電源電流信號輸出，電流從電源到恒流源Il流出后經(jīng)過負(fù)載RL返回到地；圖2為電流源共地電流信號輸出，對于共地的電流輸出，電流從電源流出經(jīng)過負(fù)載RL返回恒流源電路12和13，最后到地。由于控制閥、變頻器的電流接受電路一般都沒有特別的隔離措施、所以控制系統(tǒng)在同時(shí)控制多路控制閥或者是變頻器的時(shí)候，如果各個(gè)電流輸出信號沒有隔離(隔離會(huì)增加很大成本)，各個(gè)信號輸出的信號地有可能連接在一起，導(dǎo)致負(fù)載RL2和RL3上信號均流現(xiàn)象，導(dǎo)致控制系統(tǒng)故障，所以電流輸出電路一般都采用電流源共電源的方式進(jìn)行輸出。在采用電流源共電源方式進(jìn)行電流信號輸出時(shí)，電流的反饋電阻是共電源的，和電源信號連在一起，常規(guī)的設(shè)計(jì)就需要將電流反饋信號通過電阻比例轉(zhuǎn)移到共地的電平信號才能和DAC的電壓輸出信號進(jìn)行比較，這個(gè)電路至少需要3-5顆高精度的精密電阻才能達(dá)到0.2%以上的電流傳輸精度的要求，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。
[0005]現(xiàn)有的大多數(shù)模擬輸出電路采用圖3類似的方案，在此方案中，MCU產(chǎn)生PffMl，PWM1數(shù)字脈沖信號通過占空比的調(diào)整來表示輸出不同的電流，數(shù)字信號通過二階濾波電路后變?yōu)槟M電壓信號ADCl C3ADCl電壓通過電流輸出電路轉(zhuǎn)化為信號輸出，由于輸出電流信號正端和電源連在一起(即共電源)，所以電流反饋電阻RlO上的電壓需要通過R4、R5、R6、R7組成的比例電路調(diào)整后才等于ADCl的電壓信號，最終電流輸出信號的值等于ADC1/R10。該電路要求電阻R4、R5、R6、R7、R10都為高穩(wěn)定性的精密電阻，否則反饋回路和采樣電路的電阻比值不相同，會(huì)導(dǎo)致電流輸出的負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率都會(huì)很差，達(dá)不到0.1%的精度要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種電流源共電源電流輸出電路及其電流輸出方式，只需一個(gè)精密電阻就能夠完美實(shí)現(xiàn)電流的信號反饋和輸出，實(shí)現(xiàn)高精度的信號輸出要求，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，信號輸出精度高。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供一種電流輸出電路，其包括:基準(zhǔn)單元、信號切換單元以及電流輸出單元，其中，
[0009]所述基準(zhǔn)單元用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓信號；
[0010]所述基準(zhǔn)單元產(chǎn)生的所述基準(zhǔn)電壓信號輸入到所述信號切換單元，所述控制器的輸出信號也輸入到所述信號切換單元;所述信號切換單元用于將所述基準(zhǔn)電壓信號和所述控制器的輸出信號由共地偏移到共電源；
[0011]所述信號切換單元的輸出輸入到所述電流輸出單元;所述電流輸出單元用于將所述信號切換單元的輸出通過精密電阻進(jìn)行反饋和所述信號切換單元的輸出進(jìn)行比較，然后輸出最終共電源的電流。
[0012]較佳地，所述基準(zhǔn)單元包括:基準(zhǔn)芯片及其外圍電路，所述基準(zhǔn)芯片用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓信號，進(jìn)一步地，
[0013]所述基準(zhǔn)單元的輸出為負(fù)基準(zhǔn)電壓信號。
[0014]較佳地，所述基準(zhǔn)芯片為可控精密穩(wěn)壓源。
[0015]較佳地，信號切換單元包括:相互連接的隔離單元以及濾波單元；
[0016]所述隔離單元與所述基準(zhǔn)單元相連，且與所述控制器的輸出端相連，所述隔離單元用于抑制所述電流輸出單元的輸出端引入的噪聲，還用于將所述控制器的輸出信號由對地的高低電平轉(zhuǎn)化為所述基準(zhǔn)電壓信號和電源之間的切換，進(jìn)而將所述控制器的輸出信號的占空比與所述隔離單元的輸出的占空比分別對應(yīng)；
[0017]所述濾波單元與所述電流輸出單元相連，所述濾波單元用于將所述隔離單元的輸出的占空比轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的電壓信號。
[0018]較佳地，所述隔離單元包括:相互連接的光耦以及開關(guān)切換芯片，所述基準(zhǔn)單元的輸出與所述開關(guān)切換芯片的輸入相連，所述控制器的輸出信號輸入到所述光耦;所述開關(guān)切換芯片的輸出與所述濾波單元相連。
[0019]較佳地，所述濾波單元為二階濾波單元。
[0020]本發(fā)明還提供一種電流輸出方式，其包括以下步驟:
[0021 ] S11:將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移到共電源；
[0022]S12:通過精密電阻實(shí)現(xiàn)電流的信號反饋和共電源輸出。
[0023]較佳地，所述步驟Sll具體為:通過信號切換單元將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移為共電源。
[0024]較佳地，所述步驟Sll進(jìn)一步為:通過光相互連接的隔離單元以及濾波單元將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移為共電源。
[0025]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026](I)本發(fā)明提供的電流輸出電路及其電流輸出方式，通過隔離單元和信號切換單元將基準(zhǔn)電壓和輸出信號由共地偏移到共電源，從而達(dá)到了只需一個(gè)精密電阻就能完美實(shí)現(xiàn)電流的信號反饋和電流信號的共電源輸出，實(shí)現(xiàn)高精度的信號輸出要求，所需的精密電阻越少，其精度越高；
[0027](2)本發(fā)明只需一個(gè)精密電阻就可實(shí)現(xiàn)高精度的信號輸出要求，由于只有一個(gè)精密電阻，不需要進(jìn)行精密電阻之間的匹配，所以電流輸出的高精度能夠得到保證，很容易達(dá)至IJ0.1 %的精度，實(shí)現(xiàn)容易，電路設(shè)計(jì)簡單，成本低，產(chǎn)品可靠性高。
[0028]當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明:
[0030]圖1為現(xiàn)有的電流源共電源電流信號輸出電路；
[0031]圖2為現(xiàn)有的電流源共地電流信號輸出電路；
[0032]圖3為現(xiàn)有的共電流輸出電路的原理圖；
[0033]圖4為本發(fā)明的電流輸出電路的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例1:
[0036]結(jié)合圖4，本實(shí)施例對本發(fā)明的電流輸出電路進(jìn)行詳細(xì)描述，其原理圖如圖4所示，其包括:基準(zhǔn)單元、信號切換單元以及電流輸出單元，本實(shí)施例中，信號切換單元包括隔離單元以及濾波單元，基準(zhǔn)單元、隔離單元、濾波單元以及電流輸出單元依次連接。通過這幾個(gè)單元的電路使得輸出電流AO (通過AO+和AO-端子輸出)=Duty (PffM_CPU占空比)*2.5V(基準(zhǔn)電壓)/R9(負(fù)載反饋電阻)，下面對各單元的組成及其原理進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0037]基準(zhǔn)單元用于產(chǎn)生一個(gè)以VDA電源為參考的負(fù)基準(zhǔn)電壓信號，本實(shí)施例涉及的基準(zhǔn)芯片采用常用的TL431基準(zhǔn)芯片(也可以采用其它更高精度的基準(zhǔn)以達(dá)到更高的輸出穩(wěn)定性)，可以產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓，由于本實(shí)施例設(shè)計(jì)中以基準(zhǔn)電壓輸出端(VDA)為基準(zhǔn)參考地，以基準(zhǔn)的地DAREF為基準(zhǔn)輸出，DAREF-VDA = -2.5V，故輸出為負(fù)基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓為-
2.5V，基準(zhǔn)信號和DAREF電平相連，輸入到開關(guān)切換芯片U2。
[0038]隔離單元具備兩個(gè)作用，一方面通過OPTl光耦提供數(shù)字信號的隔離，將來自控制器(MCU)的PffM信號PWM_CPU通過光耦進(jìn)行隔離，從而抑制從電流輸出端引入的現(xiàn)場噪聲，提高控制系統(tǒng)抗干擾能力;一方面用于數(shù)字信號的整形，將MCU輸出信號的高低電平轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)DAREF(-2.5V)和地(VDA)之間的切換，當(dāng)MCU輸出PWM_CPU為3.3V，光耦輸出截止，光耦輸出端PWMl被電阻R3上拉到VDA電平(相對VDA為0V)，開關(guān)切換芯片U2的B2和輸出S導(dǎo)通，PWMOUT輸出-2.5V電平；當(dāng)MCU輸出PWM_CPU為OV，光耦輸出導(dǎo)通，輸出端PWMl被下拉倒負(fù)基準(zhǔn)電壓DAREF(相對VDA為-2.5V)，開關(guān)切換芯片U2的BI和輸出S導(dǎo)通，Pm1UT輸出OV(相對VDA)電平。這樣MCU輸出的高電平的占空比分別對應(yīng)開關(guān)切換芯片U2的輸出PffMOUT的-2.5V電平的占空比。
[0039]本實(shí)施例中，濾波單元為二階濾波單元:R4、R5、C5、C6組成一個(gè)二階無源濾波電路，負(fù)責(zé)將開關(guān)切換芯片U2輸出的數(shù)字信號PffMOUT通過濾波電路轉(zhuǎn)化為和占空比相對應(yīng)的電壓信號Vout JCU的輸出PWM_CPU高電平占空比為100%時(shí)，開關(guān)切換芯片U2的輸出端始終輸出-2.5V基準(zhǔn)信號，濾波電路輸出Vout = -2.5V(相對VDA);占空比為O時(shí)，濾波電路輸出端Vout = OV(相對VDA)，占空比Duty = 50%時(shí)，經(jīng)濾波后Vout輸出信號輸出為-2.5*Duty = -2.5*50% =-1.25V(相對 VDA);
[°04°]電流輸出單元的主要功能是將Vout進(jìn)行VI變化，該單元主要包括運(yùn)算放大器U3、MOS管Q1、三極管Q3、反饋精密電阻R9、反向二極管D3和相應(yīng)的輔助電阻電容組成。反向二極管D3使得電流只能從內(nèi)部向外流出，保護(hù)內(nèi)部電路不受外部過電壓影響而損壞。U3、Q1、Q3、R6、R7、R8、R9組成恒流源電路，由于Vout的輸出電壓恒流源電流通過R9進(jìn)行反饋和Vout進(jìn)行比較，使得最終AO輸出和Vout成線性比例，AO = Vout/R9，也和M⑶輸出的PWM_CPU的占空比完全成正比:A0 = _2.5*Duty + R9 = Duty*2.5V/100歐姆= _Duty*25mA，符號為負(fù)表示電流由VDA流向R9;當(dāng)PWM_CPU占空比為100 %，AO輸出為25mA，當(dāng)占空比為O %，AO輸出為OmA;電流的輸出和Duty的精度、基準(zhǔn)的精度和反饋電阻穩(wěn)定性相關(guān)。和其它現(xiàn)有電流輸出電路相比，由于只有一個(gè)反饋電阻，不需要進(jìn)行精密電阻之間的匹配，所以AO輸出的高精度能夠得到保證，很容易達(dá)到0.1 %的精度。
[0041 ] 實(shí)施例2:
[0042]本實(shí)施例對本發(fā)明的電流輸出方式進(jìn)行詳細(xì)描述，其包括以下步驟:
[0043]S11:將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移到共電源；
[0044]S12:通過精密電阻實(shí)現(xiàn)電流的信號反饋和共電源輸出。
[0045]電流輸出電路一般都采用電流信號共地的方式進(jìn)行輸出，在采用電流共地方式進(jìn)行電流信號輸出時(shí)，電流的反饋電阻是共電源的，和電源信號連在一起，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)是將電流反饋信號通過電阻比例轉(zhuǎn)移到共地的電平信號才能和DAC的電壓輸出信號進(jìn)行比較，這個(gè)電路至少需要3-5個(gè)高精度的精密電阻才能達(dá)到0.2%以上的電流傳輸精度的要求，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且電流傳輸精度低;本發(fā)明是將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移到共電源，電流的反饋電阻是共電源的，這樣電流的反饋電阻就可以直接與控制器的電壓輸出信號進(jìn)行比較，這樣將原來需要多個(gè)精密電阻的電壓偏移電路更改為只需要一個(gè)電流反饋電阻，簡化了設(shè)計(jì)，降低了成本，提高了產(chǎn)品的可靠性，且很容易達(dá)到0.1%的電流傳輸精度。
[0046]較佳實(shí)施例中，步驟Sll具體為:通過信號切換單元將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移為共電源。進(jìn)一步地，步驟Sll為:通過相互連接的隔離單元以及切換單元將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移為共電源。
[0047]此處公開的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，并不是對本發(fā)明的限定。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在說明書范圍內(nèi)所做的修改和變化，均應(yīng)落在本發(fā)明所保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電流輸出電路，其特征在于，為控制器的電流輸出電路，包括:基準(zhǔn)單元、信號切換單元以及電流輸出單元，其中， 所述基準(zhǔn)單元用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓信號； 所述基準(zhǔn)單元產(chǎn)生的所述基準(zhǔn)電壓信號輸入到所述信號切換單元，所述控制器的輸出信號也輸入到所述信號切換單元;所述信號切換單元用于將所述基準(zhǔn)電壓信號和所述控制器的輸出信號由共地偏移到共電源； 所述信號切換單元的輸出輸入到所述電流輸出單元;所述電流輸出單元用于將所述信號切換單元的輸出通過精密電阻進(jìn)行反饋和所述信號切換單元的輸出進(jìn)行比較，然后輸出最終共電源的電流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輸出電路，其特征在于，所述基準(zhǔn)單元包括:基準(zhǔn)芯片及其外圍電路，所述基準(zhǔn)芯片用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓信號，進(jìn)一步地， 所述基準(zhǔn)單元的輸出為負(fù)基準(zhǔn)電壓信號。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流輸出電路，其特征在于，所述基準(zhǔn)芯片為可控精密穩(wěn)壓源。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輸出電路，其特征在于，信號切換單元包括:相互連接的隔離單元以及濾波單元； 所述隔離單元與所述基準(zhǔn)單元相連，且與所述控制器的輸出端相連，所述隔離單元用于抑制所述電流輸出單元的輸出端引入的噪聲，還用于將所述控制器的輸出信號由高低電平轉(zhuǎn)化為所述基準(zhǔn)電壓信號和地之間的切換，進(jìn)而將所述控制器的輸出信號的占空比與所述隔離單元的輸出的占空比分別對應(yīng)； 所述濾波單元與所述電流輸出單元相連，所述濾波單元用于將所述隔離單元的輸出的占空比轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的電壓信號。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電流輸出電路，其特征在于，所述隔離單元包括:相互連接的光耦以及開關(guān)切換芯片，所述基準(zhǔn)單元的輸出與所述開關(guān)切換芯片的輸入相連，所述控制器的輸出信號輸入到所述光耦;所述開關(guān)切換芯片的輸出與所述濾波單元相連。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電流輸出電路，其特征在于，所述濾波單元為二階濾波單元。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輸出電路，其特征在于，所述電流輸出單元為恒流源單元，進(jìn)一步地，包括:一精密電阻，所述信號切換單元的輸出通過所述精密電阻進(jìn)行反饋和所述信號切換單元的輸出進(jìn)行比較，然后輸出最終電流。8.—種電流輸出方式，其特征在于，包括以下步驟: Sll:將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移到共電源； S12:通過精密電阻實(shí)現(xiàn)電流的信號反饋和共電源輸出。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流輸出方式，其特征在于，所述步驟SII具體為:通過信號切換單元將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移為共電源。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流輸出方式，其特征在于，所述步驟Sll進(jìn)一步為:通過光相互連接的隔離單元以及濾波單元將基準(zhǔn)電壓和控制器的輸出信號由共地偏移為共電源。
【文檔編號】G05F1/56GK106094954SQ201610452559
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】王凱, 童靈, 徐安軍, 蔡興良
【申請人】浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司