一种分立式隔离F/I转换电路的制作方法

一种分立式隔离f/i转换电路
技术领域
1.本发明属于发动机电子控制系统信号处理技术领域，尤其是涉及一种船用电子控制系统分立式隔离f/i转换电路。


背景技术：

2.在船用电气控制系统中，为了增加信号传输距离常以4-20ma电流为物理载体从驾驶舱的机旁操作箱向发动机舱内的电控系统传递信号，如转速需求信号。然而，当前大多数电子控制系统f/i转换电路无隔离功能，无法适应当前电子设备日渐增多、日渐复杂的船用电磁环境，表现出抗干扰能力差，信息传递异常等现象。而国外推出的集成电气隔离式4-20ma电流变送模块，成本高，且常出现供货能力不足、停产等问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种分立式隔离f/i转换电路，解决船用电气控制系统中控制器开发成本高的问题。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种分立式隔离f/i转换电路，包括自调节积分运算电路、隔离电路和电流变送电路，所述自调节积分运算电路的输入端连接至机旁操作箱内的4-20ma电流信号输出线，输出端连接经过隔离电路连接至电流变送电路，所述电流变送电路连接至控制器4-20ma信号调理电路输入接口。
6.进一步的，所述自调节积分运算电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c3、运算放大器u1和光电耦合器u2；电阻r1的第一端和电阻r2的第一端相连并同时连接至4-20ma信号输入端，电阻r1的第二端连接至模拟电源1负极ga1，电阻r2的第二端连接至运算放大器u1的正相输入端，运算放大器u1反相输入端经过电阻r4连接至模拟电源1负极ga1，运算放大器u1反相输入端还连接至光电耦合器u2输出侧光敏三极管的发射极，同时经过电容c3连接至其自身的信号输出端；此外，运算放大器u1的信号输出端还经过电阻r3连接至光电耦合器u2输入侧发光二极管的正极，运算放大器u1的供电端和接地端分别连接至模拟电源1正极vcc1和负极ga1。
7.进一步的，所述隔离电路包括电阻r5和光电耦合器u3，光电耦合器u2输入侧发光二极管的负极连接至光电耦合器u3输入侧发光二极管的正极；光电耦合器u2输出侧光敏三极管的集电极上拉至模拟电源1的正极vcc1；光电耦合器u3输入侧发光二极管负极连接至模拟电源1负极ga1；光电耦合器u3输出侧光敏三极管集电极上拉至模拟电源2正极vcc2，发射极经过电阻r5连接至模拟电源2负极ga2。
8.进一步的，所述电流变送电路包括运算放大器u4、三极管q1、电阻r6和电阻r7，运算放大器u4的正相输入端和光电耦合器u3输出侧光敏三极管发射极及电阻r6第一端相连；运算放大器u4的反相输入端和电阻r6第二端以及三极管q1发射极相连，并同时输出至控制器4-20ma接口电路；运算放大器u4的输出端经过电阻r7连接至三极管q1的基极；运算放大
器u4的供电端连接至模拟电源2的正极vcc2，运算放大器u4的接地端连接至负极ga2；三极管q1的集电极直接上拉至模拟电源2的正极vcc2。
9.进一步的，所述自调节积分运算电路中的电阻r4和隔离电路中的电阻r5阻值相同。
10.进一步的，所述自调节积分运算电路中的光电耦合器u2和隔离电路中的光电耦合器u3的型号相同。
11.相对于现有技术，本发明所述的分立式隔离f/i转换电路具有以下优势：
12.(1)本发明所述的分立式隔离f/i转换电路，通过构建对称的分离光耦结构，达到了仅采用通用电子元器件即可实现具有电气隔离属性的4-20ma电流变送功能，本电路简单容易实现、成本低。
13.(2)本发明所述的分立式隔离f/i转换电路，采用简单通用的分立式电子元器件，降低了船用电气控制系统中控制器开发的成本。
附图说明
14.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
15.图1为本发明实施例所述的一种分立式隔离f/i转换电路的电路图。
具体实施方式
16.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
17.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
18.名词解释：
19.f/i转换电路：频率/电流转换电路。
20.一种分立式隔离f/i转换电路，如图1所示，包括自调节积分运算电路、隔离电路和电流变送电路，所述的自调节积分运算电路的输入端连接至机旁操作箱内的4-20ma电流信号输出线，输出端连接经过隔离电路连接至电流变送电路，所述电流变送电路连接至控制器4-20ma信号调理电路输入接口。
21.本发明所述的分立式隔离f/i转换电路通过构建对称的分离光耦结构达到了仅采用通用电子元器件即可实现具有电气隔离属性的4-20ma电流变送功能，其结构简单容易实现、成本低。即达到了电流变送和电气隔离的双重目的。
22.所述自调节积分运算电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c3、运算放大器u1和光电耦合器u2；电阻r1的第一端和电阻r2的第一端相连并同时连接至4-20ma信号输入端，电阻r1的第二端连接至模拟电源1负极ga1，电阻r2的第二端连接至运算放大器u1的正相输入端，运算放大器u1反相输入端经过电阻r4连接至模拟电源1负极ga1，运算放大器u1反相输入端还连接至光电耦合器u2输出侧光敏三极管的发射极，同时经过电容c3连接至其自身的信号输出端；此外，运算放大器u1的信号输出端还经过电阻r3连接至光电耦合器u2输入侧发光二极管的正极，运算放大器u1的供电端和接地端分别连接至模拟电源1正极vcc1和负极ga1。采用了基于负反馈调节机制的积分电路，借助积分电路的输出电压调节光
耦中发光二极管的光电流。
23.所述隔离电路包括电阻r5和光电耦合器u3；光电耦合器u2输入侧发光二极管的负极连接至光电耦合器u3输入侧发光二极管的正极；光电耦合器u2输出侧光敏三极管的集电极上拉至模拟电源1的正极vcc1；光电耦合器u3输入侧发光二极管负极连接至模拟电源1负极ga1；光电耦合器u3输出侧光敏三极管集电极上拉至模拟电源2正极vcc2，发射极经过电阻r5连接至模拟电源2负极ga2。基于对称光耦结构的隔离反馈电路，该电路采用两个同型的分离式光耦，使其输入侧发光二极管串联，并选用两个阻值相等的电阻r4和r5，使得两个隔离电气回路具有电压随动功能。
24.所述电流变送电路包括运算放大器u4、三极管q1、电阻r6和电阻r7，运算放大器u4的正相输入端和光电耦合器u3输出侧光敏三极管发射极及电阻r6第一端相连；运算放大器u4的反相输入端和电阻r6第二端以及三极管q1发射极相连，并同时输出至控制器4-20ma接口电路；运算放大器u4的输出端经过电阻r7连接至三极管q1的基极；运算放大器u4的供电端连接至模拟电源2的正极vcc2，运算放大器u4的接地端连接至负极ga2；三极管q1的集电极直接上拉至模拟电源2的正极vcc2。采用了电流输出电路作为输出级来增加变送器的电流输出能力。
25.所述自调节积分运算电路中的电阻r4和隔离电路中的电阻r5阻值相同，且均具有较高精度；所述自调节积分运算电路中的光电耦合器u2和隔离电路中的光电耦合器u3的型号相同。该电路采用两个同型的分离式光耦，使其输入侧发光二极管串联，并选用两个阻值相等的电阻r4和r5，使得两个隔离电气回路具有电压随动功能；分立式隔离f/i转换电路采用了电流输出电路作为输出级来增加变送器的电流输出能力。
26.本实施例的工作原理如下：
27.首先，电阻r1将输入变送器的4-20ma电流信号转换为范围合适的电压信号；继而，引入反馈环节(将r4高电位点连接至运算放大器u1反向输入端)的积分器通过改变其输出端电压调节光耦输入侧发光二极管内的光电流，使得稳态时运算放大器u1反向输入端的电压跟随电阻r1上的压降；接着，采用使两个分离光耦输入侧串联并使r5和r4阻值相同的方式实现电阻r5压降跟随r4且电气隔离；最后，电流输出电路作为变送器的输出级电路用于提升电流输出能力，使其在4-20ma范围内可调，并通过r6提高输出阻抗。本发明提出了一种分立式隔离f/i转换电路，采用简单通用的分立式电子元器件实现，降低控制器开发成本的同时可实现性亦得到了提高；利用通用的分立式电子元器件即可达到4-20ma电流信号隔离变送的目的。