[發(fā)明專利]一種基于PWM模擬量通道轉換裝置

有效

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• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104617939A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設計）人: 董金偉;楊振榮;陳凱;包偉華
• 申請（專利權）人: 上海自動化儀表股份有限公司
• 主分類號: H03K19/0175
• 分類號: H03K19/0175
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發(fā)明涉及一種模擬信號轉換裝置，特別涉及一種基于PWM模擬量通道轉換裝置。

背景技術

現場控制系統(tǒng)中處理的信號包括數字和模擬量信號，要進行現場的儀表控制，就不可避免的用到了信號轉換，其中多數是數字轉模擬量信號應用。

數模轉換電路裝置中，市場的主流是采用ADC集成芯片，對于復雜多變的現場，ADC失效高，不便應用于多通道隔離的場合，而基于PWM控制的數模轉換方式很好的解決了這些問題，簡單實用，且成本低廉。

發(fā)明內容

本發(fā)明是針對現在ADC轉換成本高、失效率高、抗干擾差的問題，提出了一種基于PWM模擬量通道轉換裝置，實現一個低沉本、高效、便捷的數字轉模擬量高精度隔離輸出。

本發(fā)明的技術方案為：一種基于PWM模擬量通道轉換裝置，包括輸入脈沖PWM電路、濾波整形電路、V/I輸出驅動電路，輸入脈沖PWM電路：上位機控制輸出可調占空比的周期脈沖，脈沖接隔離光耦輸入端，隔離光耦輸出一端通過電阻接電源電壓，電阻兩端接限壓穩(wěn)壓管，隔離光耦輸出另一端通過三極管接地，通過隔離光耦通斷，電源電壓通過電阻給充電電容充放電；

濾波整形電路：充電電容負端接RC濾波電路；

V/I輸出驅動電路：濾波整形電路輸出電壓經過運算放大器反饋到輸出精密電阻，精密電阻兩端的壓差轉換為標準的4～20mA的標準電流輸出。

所述濾波整形電路輸出電壓接運算放大器正端，精密電阻的下端采用雙三極管增大輸出驅動，基極和運放輸出連在一起，集電極連到運算放大器的負端，構成一套負反饋電路。

所述V/I輸出驅動電路中運算放大器輸出接RC濾波電路進行二次濾波后接穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，再反饋到精密電阻上。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明一種基于PWM模擬量通道轉換裝置，適應于各種控制電路板，且可以任意拓展獨立隔離的多路模擬量輸出，簡單易行高效；再者，其成本極低，實現便捷，穩(wěn)定性好，失效率低，標定簡單，精度高，可以達到0.1%，不僅減少了設計難度，降低了生產成本，而且方便了維修和信號控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于PWM模擬量通道轉換裝置通道原理圖；

圖2為本發(fā)明一種基于PWM模擬量通道轉換裝置PWM工作波形圖。

具體實施方式

如圖1所示基于PWM模擬量通道轉換裝置通道原理圖，包括輸入脈沖PWM電路，濾波整形電路，V/I輸出驅動電路。

輸入脈沖PWM電路1：如圖2所示，當輸入周期10ms的波形圖時，幅值為5V，占空比為上位機控制，以75%為例，經過光耦隔離后，在光耦的次級產生同樣的波形的飽和開關量信號，幅值由通道電源拉高為24V，當脈沖為低電平時，光耦次級打開，24V電源通過次級開關經過R2和T2構成固定通路，因為在R2的兩端并聯了一個2.5V的限壓穩(wěn)壓管Z1，所以穩(wěn)壓管負端的電壓為21.5V，當脈沖波形在高電平時，隔離光耦次級開關斷開，電源24V直接通過R2對電容EC進行充電，這樣周期性的按照一定占空比反復不斷的進行充放電，就會在電容上得到周期性的波動的電壓值，占空比越大，充電的面積越大，從而最終的電壓有效值越大且和輸入脈沖序列成比例。

電壓濾波整形電路1：把電容負端的充放電波動電壓進行RC濾波（圖中的R5C2），器件參數經過理論計算后，必須要經過多次試驗，得出最優(yōu)的參數值，這樣能保障抗干擾性強，最后誤差可標定等，紋波大的電壓經過濾波整理處理后邊的比較平滑穩(wěn)定，圖2中濾波電路后的電壓，即圖1中A點電壓。

V/I輸出驅動電路1：濾波后的電壓經過放大器U1反饋到輸出的精密電阻R10，此放大器采用軌到軌輸出，單運放便于多通道隔離，穩(wěn)定性好，溫漂低，能夠保證精密電阻兩端的壓差準確反映輸入的PWM波形，精密電阻的下端采用雙三極管T3、T4增大輸出驅動，基極和運放輸出連在一起，集電極連到運放的負端，這樣構成一套負反饋電路，蹺蹺板效應，穩(wěn)定精密電阻的壓差，最終通過精密電阻的輸出電流時精密和穩(wěn)定的，2.5壓差（由精密穩(wěn)壓模塊Z1提供的2.5V）經過濾波、放大及雙三極管驅動，通過120Ω精密電阻R10產生4～20mA的標準電流輸出。

上述濾波整理好的電壓，通過運算放大器輸出反饋到輸出的精密電阻兩端，此時電壓經過兩次濾波穩(wěn)壓（是指運放輸入端EC/R3濾波和R5/C2濾波，去除高頻毛刺），已非常穩(wěn)定，精密電阻兩端的壓差精確為0～2.5V，通過120Ω精密電阻最終能輸出0～20.8mA，即0～100%占空比數字量脈沖，按照一定比例轉換為0～20.8mA電流，脈沖的周期和器件參數是經過數百次試驗經驗所得出，最終輸出4～20mA電流的精度可以達到0.1%以內。