一种PWM控制的4-20mA恒流输出电路的制作方法

一种pwm控制的4-20ma恒流输出电路
技术领域
1.本实用新型涉及恒流输出电路领域，特别涉及一种pwm控制的4-24ma恒流输出电路。


背景技术：

2.工业上常常需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，为了将这些非电信号传输到几百米外的控制室或显示设备上，必须要先将其转换成模拟量电信号。由于电流信号不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不会影响电流信号的精度，在普通双绞线上可传输数百米，故工业上广泛采用4-20ma电流信号来传输模拟量。
3.目前，现有的4-20ma恒流输出电路有两种，一种是采用v-i转换电路来实现4-20ma电流信号输出，由主控芯片控制d/a转换芯片的输出电压，进而控制由放大器、三极管等元件组成的恒流电路的输出电流，但是，这种电路的制作成本较高，通用性较低。另一种是由pwm控制的4-20ma恒流输出电路，这种电路直接由主控芯片产生pwm电压信号，通过改变pwm的占空比控制经过低通滤波电路后的直流电压信号，进而控制恒流电路的输出电流，但是，这种电路的pwm和输出电流信号之间没有隔离，容易受到外界干扰。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种pwm控制的4-20ma恒流输出电路，能稳定输出4-20ma恒定电流，并能提高电路的抗干扰能力，以及提高电路的带载能力。
5.本实用新型的技术方案是：一种pwm控制的4-20ma恒流输出电路，包括波形变换模块、电流负反馈模块、保护模块，所述波形变换模块用于将pwm信号转换为直流电压信号，波形变换模块的输出端与电流负反馈模块的输入端连接，所述电流负反馈模块用于将直流电压信号转换为电流信号，电流负反馈模块的输出端与保护模块的输入端连接，通过保护模块输出4-20ma恒定电流，所述波形变换模块通过一光耦隔离模块连接pwm信号。
6.进一步的，所述光耦隔离模块包括npn型三极管q1、光耦u1，所述三极管q1的基极经电阻r2接收pwm信号，三极管q1的集电极经电阻r3连接电源，三极管q1的发射极与光耦u1的正极输入端连接，所述光耦u1的负极输入端连接数字地，且光耦u1的负极输入端经电阻r1连接pwm信号，所述光耦u1的第一输出端经电阻r4连接电源，且第一输出端与波形变换模块的输入端连接，所述光耦u1的第二输出端连接模拟地。
7.进一步的，所述波形变换模块包括与非逻辑门u2、二阶低通滤波器，所述与非逻辑门u2的第一输入端与电源端连接，并接入基准电压vref，与非逻辑门u2的第二输入端与光耦隔离模块的输出端连接，与非逻辑门u2的接地端连接模拟地，所述二阶低通滤波器的电阻r6与电阻r7串联，所述电阻r6与与非逻辑门u2的输出端连接，所述电阻r7的两端设置并联的电容c1、电容c2，所述电容c1、电容c2共同连接模拟地。
8.进一步的，所述与非逻辑门u2的第二输入端与光耦隔离模块的输出端之间设置电阻r5。
9.进一步的，所述基准电压vref由基准电压芯片提供。
10.进一步的，所述电流负反馈模块包括运算放大器u3a、pnp型三极管q2，所述运算放大器u3a的正向输入端经电阻r9连接电源，且运算放大器u3a的正向输入端经电阻r10连接模拟地，所述运算放大器u3a的反向输入端经电阻r8连接波形变换模块的输出端，且运算放大器u3a的反向输入端经电容c4连接输出端，所述三极管q2的基极经电阻r12连接运算放大器u3a的输出端，三极管q2的发射极经电阻r13连接电源，且三极管q2的发射极经电阻r11连接运算放大器u3a的反向输入端，所述三极管q2的集电极与保护模块连接，所述运算放大器u3a的正电源端连接电源，并经电容c3连接模拟地，运算放大器u3a的负电源端连接模拟地。
11.进一步的，所述电阻r13采用精度为0.1％的精密电阻。
12.进一步的，所述电阻r8与电阻r11的阻值相等，所述电阻r9与电阻r10的阻值相等。
13.进一步的，所述保护模块包括二极管d1、二极管d2、稳压二极管d3，所述二极管d1的阳极与电流负反馈模块的输出端连接，二极管d1的阴极与二极管d2的阳极共同连接输出电流的正极，所述二极管d2的阴极与稳压二极管d3的阴极共同连接输出电流正极，所述稳压二极管d3的阳极分别连接输出电流负极和模拟地。
14.进一步的，所述波形变换模块与电流负反馈模块之间设置一电压跟随电路，所述电压跟随电路的运算放大器u3b的正向输入端连接波形变换模块的输出端，所述运算放大器u3b的反向输入端与输出端连接，运算放大器u3b的输出端与电流负反馈模块的输入端连接。
15.采用上述技术方案：本恒流输出电路的输出电流由pwm信号的占空比、基准电压vref和r13的阻值确定，当基准电压vref和r13的阻值一定时，只要改变占空比，就能现行地改变输出电流，同时，本电路在pwm信号与波形变换模块之间设有光耦隔离模块，通过光耦隔离模块对pwm信号与波形变换模块起到隔离作用，能够增强电路的抗干扰能力，而且本电路通过保护模块能够防止电源反接或过压造成的器件或负载损坏。
16.本恒流输出电路的波形变换模块中采用的与非逻辑门电路能够解决光耦隔离模块传输延迟造成的波形畸变，保证pwm信号传输和计算的准确性，从而提高4-20ma恒定电流的输出精度。
17.下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
18.图1为本实用新型的电路结构图。
具体实施方式
19.参见图1，一种pwm控制的4-20ma恒流输出电路的实施例，包括波形变换模块、电流负反馈模块、保护模块。所述波形变换模块将pwm信号转换为直流电压信号，波形变换模块的输出端与电流负反馈模块的输入端连接；所述电流负反馈模块用于将直流电压信号转换为电流信号，电流负反馈模块的输出端与保护模块的输入端连接，通过保护模块输出4-20ma恒定电流，所述保护模块可以防止因电源反接或过压造成的器件、负载损坏，提高各个
器件的使用寿命；所述波形变换模块通过一光耦隔离模块连接pwm信号，通过光耦隔离模块隔离pwm信号和波形变换模块，使pwm信号与波形变换模块之间没有直接的电连接，防止电连接对电路引起干扰，提高电路的抗干扰能力，同时波形变换模块还能起到稳定光耦隔离模块的输出信号的作用。
20.所述光耦隔离模块包括npn型三极管q1、光耦u1，所述三极管q1的基极经电阻r2接收pwm信号，三极管q1的集电极经电阻r3连接电源vcc1，三极管q1的发射极与光耦u1的正极输入端连接，所述光耦u1的负极输入端连接数字地，且光耦u1的负极输入端经电阻r1连接pwm信号，所述pwm信号可以由mcu产生，可通过mcu输出高分辨率的pwm信号，使本电路实现高精度的电流输出，所述光耦u1的第一输出端经电阻r4连接电源vcc2，且第一输出端与波形变换模块的与非逻辑门u2的第二输入端连接，所述光耦u1的第二输出端连接模拟地，本实施例的npn型三极管q1可以增大pwm信号的输出能力以驱动光耦u1工作，减小提供pwm信号的mcu的负荷。
21.所述波形变换模块包括与非逻辑门u2、二阶低通滤波器，本实施例的非逻辑门u2采用型号为7sh00f，所述与非逻辑门u2的第一输入端与电源端连接，并接入基准电压vref，所述基准电压vref由基准电压芯片提供，与非逻辑门u2的第二输入端与光耦隔离模块的光耦u1的第一输出端连接，所述与非逻辑门u2的第二输入端与光耦u1的第一输出端之间设置电阻r5，所述电阻r5作为限流电阻可以对输入与非逻辑门u2的信号起到限流作用，防止与非逻辑门u2因流入的电流过大而烧坏，与非逻辑门u2的接地端连接模拟地，通过与非逻辑门u2运算后输出的方波信号与pwm信号保持一致；所述二阶低通滤波器的电阻r6与电阻r7串联，所述电阻r6与与非逻辑门u2的输出端连接，所述电阻r7的两端设置并联的电容c1、电容c2，所述电容c1、电容c2共同连接模拟地，由电阻r6、电阻r7、电容c1、电容c2构成的二阶低通滤波器将与非逻辑门u2输出的方波信号转换为直流电压信号，即波形变换模块用于稳定光耦u1的输出信号并将其转换为直流电压信号。
22.所述电流负反馈模块包括运算放大器u3a、pnp型三极管q2，所述运算放大器u3a的正向输入端经电阻r9连接电源vcc2，且运算放大器u3a的正向输入端经电阻r10连接模拟地，所述运算放大器u3a的反向输入端经电阻r8连接波形变换模块的运算放大器u3b的输出端，且运算放大器u3a的反向输入端经电容c4连接输出端，所述电容c4用于防止运算放大器u3b发生自激振荡；所述三极管q2的基极经电阻r12连接运算放大器u3a的输出端，三极管q2的发射极经电阻r13连接电源vcc2，且三极管q2的发射极经电阻r11连接运算放大器u3a的反向输入端，所述三极管q2的集电极与保护模块连接，所述运算放大器u3a的正电源端连接电源vcc2，并经电容c3连接模拟地，运算放大器u3a的负电源端连接模拟地。而且，本实施例设置电阻r8与电阻r11的阻值相等，所述电阻r9与电阻r10的阻值相等，使本电路的输出电流只与pwm信号的占空比和电阻r13的阻值有关，因此，本实施例的电阻r13采用精度为0.1％的精密电阻，由此可以提高输出电流的精度。
23.所述保护模块包括二极管d1、二极管d2、稳压二极管d3，所述二极管d1的阳极与电流负反馈模块的三极管q3的集电极连接，二极管d1的阴极与二极管d2的阳极共同连接输出电流的正极，所述二极管d2的阴极与稳压二极管d3的阴极连接，所述稳压二极管d3的阳极分别连接输出电流负极和模拟地，由二极管d1、二极管d2防止电源反接造成各器件或负载损坏，并通过稳压二极管d3对电路中器件及负载起到过压保护的作用。
24.本电路的另一实施例，所述波形变换模块与电流负反馈模块之间设置一电压跟随电路，所述电压跟随电路的运算放大器u3b的正向输入端连接波形变换模块的电阻r7，所述运算放大器u3b的反向输入端与输出端连接，运算放大器u3b的输出端与电流负反馈模块的输入端连接，本实施例的运算放大器u3b和运算放大器u3a集成于一个双运放芯片，该双运放芯片型号为lm358s，由于电压跟随电路具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，因此本实施例在波形变换模块与电流负反馈模块之间设置电压跟随电路，可以提高本电路的带载能力，同时避免前端的波形变换模块与后端的电流负反馈模块相互影响，对前后级电路起到隔离、缓冲作用。
25.本实施例的恒流输出电路运行时的工作原理如下：
26.当pwm信号处于高电平时，三极管q1导通，光耦u1的正极输入端流过电流，使光耦u1的第一输出端输出低电平，低电平经与非逻辑门u2运算后，与非逻辑门u2的输出端输出高电平vref；同理，当pwm信号处于低电平时，三极管q1关断，光耦u1的第一输出端输出高电平，高电平经与非逻辑门u2运算后，与非逻辑门u2的输出端输出低电平0。由此可得，与非逻辑门u2的输出信号的频率和占空比与pwm信号的频率f
pwm
、占空比dc完全一致，高电平为vref，低电平为0。使用时，需保证光耦u1的输入电流较小，同时保证光耦u1导通时的输出端压降在与非逻辑门u2的低电平输入范围内。
27.二阶低通滤波器的截止频率为：fc＝0.37/(2πrc)，
28.式中，r＝r6＝r7，c＝c1＝c2，且考虑到光耦u1存在传输延迟的问题，必须满足f
pwm
＞fc，因此，在电路调试时，可以根据实际的电流输出值，通过mcu调整f
pwm
的大小，以获得良好的光耦传输效果，以及实现稳定的输出电流。
29.经过二阶低通滤波器低通滤波后输出的直流电压信号为：vi＝vref*dc，式中vref为基准电压，dc为pwm信号的占空比。
30.运算放大器u3b构成一电压跟随器，其正向输入端的电压为vi＝vref*dc，则运算放大器u3b的输出端电压也为vi＝vref*dc，起到提高电路的带载能力。
31.根据虚短虚断原理，运算放大器u3a的正向输入端和反向输入端的电压相等，即：
32.u32＝u33＝vcc2*r10/(r9 r10)
33.式中，u32为运算放大器u3a反向输入端的电压，u33为运算放大器u3a正向输入端的电压，本实施例中r9＝r10，则通过化简可得：u32＝u33＝vcc2/2。
34.而且，根据流过电阻r8和电阻r11的电流相等，可得到下列公式：
35.(vi-vcc2/2)/r8＝(vcc2/2-u
q2e
)/r11
36.式中，u
q2e
为三极管q2的发射极电压，本实施例中r8＝r11，则通过化简可得：u
q2e
＝vcc2-vi。
37.令r8＝r11》》r13，则流过电阻r13的电流与三极管q2的发射极电流相等，由此可通过下列公式获得本恒流输出电路的输出电流io：
38.io＝(vcc2-u
q2e
)/r13＝vi/r13＝vref*dc/r13
39.通过上式可知，本恒流输出电路的输出电流io的值由基准电压vref和pwm信号的占空比决定。
40.本恒流输出电路输出电流由pwm信号的占空比、基准电压vref和r13的阻值确定，当基准电压vref和r13的阻值一定时，只要改变占空比，就能现行地改变输出电流，同时，本
电路在pwm信号与波形变换模块之间设有光耦隔离模块，通过光耦隔离模块中的光耦u1对pwm信号与波形变换模块之间起到隔离作用，能够增强电路的抗干扰能力，而且本恒流输出电路的波形变换模块中采用的与非逻辑门电路能够解决光耦隔离模块传输延迟造成的波形畸变，保证pwm信号传输和计算的准确性，从而提高4-20ma恒定电流的输出精度。此外，本电路还设有保护模块，通过保护模块能够防止电源反接或过压造成的器件或负载损坏。