一种实现高精度4-20mA电流环的控制系统的制作方法

一种实现高精度4-20ma电流环的控制系统
技术领域
1.本实用新型涉及电子技术领域，具体为一种实现高精度4-20ma电流环的控制系统。


背景技术：

2.目前很多工业仪表都具备4-20ma信号输出功能，尤其是变送器，这是一项必备的功能要求。4-20ma的电流环便是用4ma表示零信号，用20ma表示信号的满刻度，而低于4ma及高于20ma的信号用作各种故障报警信号。4-20ma电流环有两种类型：二线制和三线制，如果只是信号传输，不需要进行驱动控制，一般采用二线制。
3.传统的4-20ma电路，往往采用纯硬件电路，即采用模拟器件，通过运算放大器调整信号放大倍数，再通过压流转换电路产生电流。零点和量程的调整，通过电位器或者更换电阻来实现。模拟器件较多，电路复杂，由于不同元器件之间不可避免存在误差，导致同一批次电路板的性能存在较大差异。零点及量程调整也比较繁琐，而且线性度也很难保证。4-20ma产品的典型应用是传感和测量应用，因此对信号的稳定性和精度要求较高，这就需要4-20ma电流环产生高稳定性、高线性度的信号。使信号不易受到电源线上的杂波干扰，不易受到外界电磁干扰及静电干扰，不同的量程范围内，都要保证较好的线性度。同时，从生产的角度考虑，为了方便出厂调试，不易采用通过调整电阻等调整硬件电路的方式进行修正。再者，考虑到目前工业现场大型设备越来越多，仪表工作环境越来越复杂，提高现场仪表的emc性能，也势在必行，传统的4-20ma电流环仪表，只注重了产品在正常工作环境下的工作性能，而忽视了其在复杂工业现场的抗电磁干扰能力，因此，目前很多传统的仪表，在工业现场经常出现因为电磁干扰导致的信号紊乱，黑屏，死机等各种问题。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种实现高精度4-20ma电流环的控制系统，由低功耗精密电源模块提供电源，采用cpu与数模转换芯片及两级运算放大器结合的方式，输出稳定的4-20ma电流信号。同时在信号接口处，采用emc专业化设计，提高了系统的emc性能，可有效预防雷击浪涌，静电，脉冲群，工频磁场等干扰信号的冲击，增强了系统的稳定性。有效解决了传统4-20ma电流环电路存在的线性度差，受电磁干扰后电流波动较大的问题。
5.为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种实现高精度4-20ma电流环的控制系统，包括cpu模块、精密电源模块、emc模块和数模转换模块，精密电源模块连接cpu模块、emc模块和数模转换模块，数模转换模块连接cpu模块和emc模块；
7.所述cpu模块包括芯片u1，芯片u1的型号为msp430f169，cpu模块采用工作模式与休眠模式相结合的方式进行工作。
8.进一步的，所述芯片u1的9脚连接有晶振y1一端和电容c1一端，芯片u1的8脚连接
有晶振y1另一端和电容c2一端，电容c1另一端和电容c2另一端接地，芯片u1的1脚和64脚连接有电容c5一端和电容c6一端，并接 3.3v，电容c5另一端和电容c6另一端接地，芯片u1的58脚连接有电阻r2一端，电阻r2另一端连接有二极管d1一端和电阻r1一端，并接地，二极管d1另一端和电阻r1另一端接 3.3v。
9.进一步的，所述精密电源模块包括芯片u3和芯片u4，芯片u3和芯片u4的型号均为tps7a4901。
10.进一步的，所述芯片u3的1脚连接有电容c10一端、电阻r17一端、电容c9一端和保险丝fb1一端，电容c10另一端和电阻r17另一端连接有电阻r18一端和芯片u3的2脚，电阻r18另一端和电容c9另一端接地，保险丝fb1另一端接 12v，芯片u3的6脚连接有电容c11一端，电容c11另一端接地，芯片u3的5脚和8脚连接有电容c12一端和二极管d2一端，电容c12另一端接地，二极管d2另一端连接有保险丝f1一端，保险丝f1另一端连接emc模块。
11.进一步的，所述芯片u4的1脚连接有电容c14一端、电阻r6一端、电容c13一端和保险丝fb2一端，电容c14另一端和电阻r6另一端连接有电阻r7一端和芯片u4的2脚，电阻r7另一端和电容c13另一端接地，保险丝fb2另一端接 3.3v，芯片u4的6脚连接有电容c16一端，电容c16另一端接地，芯片u5的5脚和8脚连接有电容c15一端和电阻r5一端，电阻r5另一端连接有二极管d2一端，电容c15另一端接地。
12.进一步的，所述emc模块包括接插件jin，接插件jin的2脚连接有电感l1一端、tvs管tvs1一端、压敏电阻rv1一端和气体放电管gdt1一端，电感l1另一端连接有保险丝f1另一端，tvs管tvs1另一端、压敏电阻rv1另一端和气体放电管gdt1另一端连接有数模转换模块和电感l2一端，电感l2另一端连接接插件jin的1脚，电感l2一端还连接有气体放电管gdt3一端、压敏电阻rv3一端、tvs管tvs3一端和电容c3一端，气体放电管gdt3另一端、压敏电阻rv3另一端、tvs管tvs3另一端和电容c3另一端接大地接地端。
13.进一步的，所述接插件jin的2脚还连接有气体放电管gdt2一端、压敏电阻rv2一端、tvs管tvs2一端和电容c2一端，气体放电管gdt2另一端、压敏电阻rv2另一端、tvs管tvs2另一端和电容c2另一端接大地接地端。
14.进一步的，所述数模转换模块包括芯片u2，芯片u2的型号为dac8571。
15.进一步的，所述芯片u2的1脚和2脚接 3.3v,芯片u2的4脚连接有电容c8一端和运算放大器u5a的3脚，芯片u2的6脚连接有电阻r3一端和芯片u1的21脚，芯片u2的7脚连接有电阻r4一端和芯片u1的22脚，电阻r3另一端和电阻r4另一端接 3.3v，运算放大器u5a的8脚接 12v，运算放大器u5a的2脚和1脚连接有电阻r9一端。
16.进一步的，所述电阻r9另一端连接有电容c17一端和运算放大器u5b的6脚，电容c17另一端连接有运算放大器u5b的5脚、电阻r8一端、电阻r10一端和电阻r12一端，电阻r8另一端接地，电阻r10另一端连接有电阻r11一端，电阻r11另一端接 12v，电阻r12另一端连接有电阻r13一端，电阻r13另一端连接有三极管q1的发射极、电阻r15一端、电阻r14一端和三极管q2的集电极，三极管q1的基极连接有电阻r16一端和电容c18一端，阻r16另一端和电容c18另一端连接运算放大器u5b的7脚，三极管q2的基极连接有二极管d3一端和三极管q1的集电极，二极管d3另一端连接三极管q2发射极和电感l2一端。
17.本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
18.采用cpu与数模转换芯片结合的方式，先输出模拟电压信号，然后通过两级运算放
大器，将信号放大处理，并进行电压电流转换。相比于传统的纯模拟电路产生4-20ma信号，用cpu处理，可以通过软件编码，精确控制输出信号的精度，校准零点和量程，同时还可以进行分段线性修正，使输出的4-20ma信号，具有很高的精度，并且达到很高的线性度。同时，对于不同量程范围的待转换的输入信号，不用调整硬件电路的前提下，就可以通过软件代码控制，输出准确的4-20ma信号。数模转换芯片u2采用i2c接口，编程控制简单，cpu将采集到的待转换信号计算后，通过i2c总线传输给u2，u2通过内部转换后，输出模拟的电压信号。
19.同时，本系统的电流环信号接口，进行了可靠的mec硬件电路设计，可有效预防雷击浪涌，静电，脉冲群，工频磁场等干扰信号的冲击，有效保护该系统的硬件电路，并保证信号的稳定可靠输出。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
21.图1为本实用新型的cpu模块电路原理图；
22.图2为本实用新型的精密电源模块与emc模块连接电路原理图；
23.图3为本实用新型的数模转换模块电路原理图。
具体实施方式
24.实施例1，如图1至图3所示，一种实现高精度4-20ma电流环的控制系统，包括cpu模块、精密电源模块、emc模块和数模转换模块，精密电源模块可产生3.3v和12v两种电压，分别给cpu模块和数模转换模块供电。cpu及其时钟和复位电路，满足最小单片机系统的运行条件，保证系统可靠复位及可靠运行。
25.所述cpu模块包括芯片u1，芯片u1的型号为msp430f169，cpu模块采用工作模式与休眠模式相结合的方式进行工作，从软件控制的角度降低系统功耗，芯片u1的9脚连接有晶振y1一端和电容c1一端，芯片u1的8脚连接有晶振y1另一端和电容c2一端，电容c1另一端和电容c2另一端接地，芯片u1的1脚和64脚连接有电容c5一端和电容c6一端，并接 3.3v，电容c5另一端和电容c6另一端接地，芯片u1的58脚连接有电阻r2一端，电阻r2另一端连接有二极管d1一端和电阻r1一端，并接地，二极管d1另一端和电阻r1另一端接 3.3v。
26.所述精密电源模块包括芯片u3和芯片u4，芯片u3和芯片u4的型号均为tps7a4901，芯片u3的1脚连接有电容c10一端、电阻r17一端、电容c9一端和保险丝fb1一端，电容c10另一端和电阻r17另一端连接有电阻r18一端和芯片u3的2脚，电阻r18另一端和电容c9另一端接地，保险丝fb1另一端接 12v，芯片u3的6脚连接有电容c11一端，电容c11另一端接地，芯片u3的5脚和8脚连接有电容c12一端和二极管d2一端，电容c12另一端接地，二极管d2另一端连接有保险丝f1一端，保险丝f1另一端连接emc模块。
27.所述芯片u4的1脚连接有电容c14一端、电阻r6一端、电容c13一端和保险丝fb2一端，电容c14另一端和电阻r6另一端连接有电阻r7一端和芯片u4的2脚，电阻r7另一端和电容c13另一端接地，保险丝fb2另一端接 3.3v，芯片u4的6脚连接有电容c16一端，电容c16另
一端接地，芯片u5的5脚和8脚连接有电容c15一端和电阻r5一端，电阻r5另一端连接有二极管d2一端，电容c15另一端接地。
28.所述emc模块包括接插件jin，接插件jin的2脚连接有电感l1一端、tvs管tvs1一端、压敏电阻rv1一端和气体放电管gdt1一端，电感l1另一端连接有保险丝f1另一端，tvs管tvs1另一端、压敏电阻rv1另一端和气体放电管gdt1另一端连接有数模转换模块和电感l2一端，电感l2另一端连接接插件jin的1脚，电感l2一端还连接有气体放电管gdt3一端、压敏电阻rv3一端、tvs管tvs3一端和电容c3一端，气体放电管gdt3另一端、压敏电阻rv3另一端、tvs管tvs3另一端和电容c3另一端接大地接地端。
29.所述接插件jin的2脚还连接有气体放电管gdt2一端、压敏电阻rv2一端、tvs管tvs2一端和电容c2一端，气体放电管gdt2另一端、压敏电阻rv2另一端、tvs管tvs2另一端和电容c2另一端接大地接地端。
30.所述emc模块分为三部分，第一部分包括电感l1和l2、气体放电管gdt1、压敏电阻rv1、tvs管tvs1，用于对同时存在于电流环路两根线上的干扰源进行处理；第二部分包括气体放电管gdt2,压敏电阻rv2、tvs管tvs2、电容c2,用于对从 24v电源线进入的干扰源进行处理,四个元件全部连接到电路板上的大地接地端，为干扰源提供可靠的泄放路径；第三部分包括气体放电管gdt3、压敏电阻rv3、tvs管tvs3、电容c3，用于对存在于电流环输出线上的干扰源进行处理，四个元件全部连接到电路板上的大地接地端，为干扰源提供可靠的泄放路径。
31.所述数模转换模块包括芯片u2，芯片u2的型号为dac8571，芯片u2的1脚和2脚接 3.3v,芯片u2的4脚连接有电容c8一端和运算放大器u5a的3脚，芯片u2的6脚连接有电阻r3一端和芯片u1的21脚，芯片u2的7脚连接有电阻r4一端和芯片u1的22脚，电阻r3另一端和电阻r4另一端接 3.3v，运算放大器u5a的8脚接 12v，运算放大器u5a的2脚和1脚连接有电阻r9一端，电阻r9另一端连接有电容c17一端和运算放大器u5b的6脚，电容c17另一端连接有运算放大器u5b的5脚、电阻r8一端、电阻r10一端和电阻r12一端，电阻r8另一端接地，电阻r10另一端连接有电阻r11一端，电阻r11另一端接 12v，电阻r12另一端连接有电阻r13一端，电阻r13另一端连接有三极管q1的发射极、电阻r15一端、电阻r14一端和三极管q2的集电极，三极管q1的基极连接有电阻r16一端和电容c18一端，阻r16另一端和电容c18另一端连接运算放大器u5b的7脚，三极管q2的基极连接有二极管d3一端和三极管q1的集电极，二极管d3另一端连接三极管q2发射极和电感l2一端。
32.所述数模转换模块包括数模转换芯片u2和两级运算放大器u5,u6。u2采用dac8571，为i2c接口，输出为电压型信号。u2的6,7脚分别连接cpu的两个引脚，并通过上拉电阻r3,r4接到3.3v电源端，u2的5、8脚接地，u2的1、2脚接到3.3v电源端，u2的输出引脚4通过滤波电容c8接地。
33.所述运算放大器u5a和u5b采用ld27l2，u5a的第一路运放用作电压跟随器，正输入引脚3连接u2的信号输出引脚4，引脚2和引脚1连接在一起，4脚接地,8脚接12v电源，u5b的第二路运放用作放大信号并进行电压电流的转换，其中电容c17、c18可用于滤除高频干扰信号，电阻r8、r9、r10、r11，r12、r13采用精度为0.1％的低温漂电阻，并且r8＝r9、r10＝r12、r11＝r13,采用低温漂系数的电阻，可以保证放大倍数不受环境温度的影响，以保证输出稳定的电流信号。
34.本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。