專利名稱：模擬量輸出電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬量輸出電路，屬于工業自動化領域。
背景技術：
在輸配電系統中，為方便遠程監視和控制，很多電參量需要通過模擬量傳輸。目前 模擬量輸出電路從硬件結構上分隔離方式與非隔離方式兩種。其中，隔離方式又可以分為兩種一種是采用高速光電耦合器傳輸主CPU發出的 PWM信號，經濾波電路后通過運算放大器輸出；另一種是采用普通光電耦合器傳輸主CPU控 制和數據信號，通過單片機完成解析后輸出PWM信號，經濾波電路后通過運算放大器輸出。采用高速光電耦合器傳輸，具有如下缺點為保證輸出精度，其對高速光電耦合器 傳輸速度要求很高，而傳輸速度與成本直接相關，故其實際電路成本較高；采用高速光電耦 合器傳輸對主CPU的資源占用很高。而采用常規光電耦合器完成信號傳遞，雖然單片機的 成本遠遠低于高速光電耦合器，但其輸出精度難以滿足實際生產需要。非隔離方式目前的主要問題是對主CPU的資源占用很高，多組輸出無法實現負端 直接連接，既降低了設計靈活性，又增加系統成本。模擬量輸出電路從輔助電源的設計上區分有正負雙電源供電和單電源供電兩種 正負雙電源設計主要應用于非隔離方式電路，多組輸出采用相同輔助電源，運算放大器在 零點可以保證線性輸出；單電源主要應用于隔離方式電路，多組間采用獨立電源，這種單電 源供電的優點是模擬量輸出電路與主CPU電氣隔離，多組負端可以直接連接，其缺點是運 算放大器由單電源供電，在零點無法實現線性輸出。因此，現有的上述兩種隔離方式的模擬 量輸出電路均無法實現零點線性輸出。
發明內容
為克服現有技術上的缺陷，本發明的目的在于提出一種可保證零點線性輸出的模 擬量輸出電路。為此，本發明采用如下技術方案一種模擬量輸出電路，它包括光電耦合器、單片機、濾波電路、電壓輸出電路、電流 輸出電路和輔助電源電路，其中光電耦合器、單片機和濾波電路串聯連接，單片機通過光電耦合器與主單片機通 訊，單片機輸出的PWM信號經過濾波電路輸出后分別送入電壓輸出電路和電流輸出電路的 運算放大器的正輸入端，分別輸出電壓和電流信號；輔助電源電路包括由第一三極管和基準電壓芯片構成的串聯穩壓電路和硅二極 管，串聯穩壓電路的負電壓輸出端與硅二極管的正極相連；所述串聯穩壓電路為單片機和 光電耦合器供電，硅二極管陰極與電壓輸出電路和電流輸出電路的運算放大器負電源端相 連；光電耦合器為本模擬量輸出電路的輸入端，電壓輸出電路和電流輸出電路為本模擬量輸出電路的輸出端。所述電流輸出電路包括第二三極管，電流通過運算放大器驅動該第二三極管輸
出ο 所述輔助電源電路為光電耦合器和單片機提供+5V穩定電源，輔助電源電路為電 壓輸出電路和電流輸出電路的運算放大器提供-0. 7V的負電源。所述濾波電路由第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第九電阻和第一電容、 第二電容構成。本發明的設計思路在于在由基準電壓芯片和三極管組成的串聯穩壓電路中增加 一個硅二極管，實現由硅二極管管壓降產生的負電壓，為輸出運算放大器提供正負電源供 電，從而解決由于單電源供電而無法保證零點輸出線性的問題。本發明的有益效果在于1、采用高穩定度的基準電壓芯片、第一三極管和硅二極管組成可以輸出高精度正 負電源的電路；2、采用普通運算放大器以正負雙電源供電，可使運算放大器零點工作在線性狀 態；3、單片機由高精度電壓供電，可保證輸出PWM信號的幅值精度。以上三個措施的綜合結果保證模擬量輸出在零點的線性，從而保證輸出全量程線 性，在變送輸出范圍內可達到0. 的精度。本發明創新性地將單電源供電電路快速轉換為正負雙電源供電電路，實現運算放 大器零點線性輸出，還簡化了多組輸出電路對輔助電源的需求，大幅度降低產品電源成本， 降低了對主CPU的資源占用，簡化了程序設計。
圖1是本發明實施例的電路原理框圖；圖2是本發明實施例的電路圖；圖3是本發明實施例的軟件仿真原理圖；圖4和5是本發明實施例的軟件仿真波形。
具體實施例方式如圖1所示，本實施例的模擬量輸出電路由光電耦合器1、單片機2、濾波電路3、電 壓輸出4、電流輸出5和輔助電源6構成，其中光電耦合器1、單片機2和濾波電路3串聯連 接，濾波電路3輸出分成兩路，分別輸入電壓輸出電路4和電流輸出電路5，輔助電源電路6 為光電耦合器1和單片機2提供穩定工作電源，為電壓輸出電路4和電流輸出電路5的運 算放大器提供正負雙電源，光電耦合器1為本電路的輸入端，該模擬量輸出電路的輸出端 有兩個，分別是電壓輸出電路4和電流輸出電路5。參見圖2。主CPU發來的控制和數據信號經光電耦合器的芯片Ul和U2傳輸到單 片機2，單片機2根據接收到的數據，由7腳輸出PWM信號，送入由電阻R5、R6、R7、R8、R9和 電容Cl、C2構成的濾波電路，然后輸入運算放大器TO，短接Sl和S2，則由運算放大器TOA 驅動T2輸出電流信號，短接S3和S4,則由運算放大器U5B直接輸出電壓。電壓輸出直接通過運算放大器U5B輸出，電流輸出則通過由運算放大器U5A和三極管T2以及電阻R12和 RlO構成的閉環控制輸出。TO和Tl以及D2組成可以輸出0V、+5V和-0.7V(硅二極管管壓 降)的高精度電源，分別為光電耦合器和單片機提供+5V電源，為運算放大器提供-0. 7V負 電源。本電路單片機2采用ST7LITEUS5，該單片機具有12位重裝定時器，可以實現高精 度的PWM輸出，經濾波電路后，通過運算放大器完成模擬量輸出，輸出范圍內的精度可達到 0. 1%。輔助電源6在由三極管Tl和基準電壓芯片U6構成的串聯穩壓電路的基礎上，通 過增加硅二極管D2，直接將原有單電源轉換為正負電源，就能實現既為單片機U3提供穩定 的正電源，保證單片機PWM輸出幅值精度，又為運算放大器U5提供必須的負電源，保證運算 放大器在零點線性輸出。圖3是本實施例的軟件仿真原理圖，圖中，仿真電路由電源正VCC和地GND供電， 由三極管Tl和基準電壓芯片U6構成串聯穩壓電路，在地GND與負電源VEE之間增加D2， 相對地GND，負電源VEE端輸出為負電壓，運算放大器U5的4腳連接VEE，8腳連接電源正 VCC，對運算放大器TO而言，其供電電源為正負雙電源，Vl為仿真干擾源，電壓輸出直接通 過運算放大器TOB的7腳輸出，電流輸出由運算放大器U5A驅動三極管T2輸出，通過電阻 R12采樣；XFGl為函數發生器，設定為30Hz的三角波，分別輸入運算放大器U5A和U5B的正 輸入端，RLv為電壓輸出負載，RLi為電流輸出負載；示波器XSCl的A、B、D通道分別測量電 源正VCC、電壓輸出VOUT和信號輸入VIN，示波器XSC2的A、B通道分別測量電源正VCC和 負電源VEE。
圖4為示波器XSCl的測量波形，CharmelA測量的是電源正VCC，可以看到存在大 量的紋波，與實際供電電壓比較接近；CharmelB為電壓輸出端VOUT的波形，Channe 1_D為 函數發生器輸出VIN的波形，從圖中可以看出，在零點上部，VOUT隨VIN線性變化，在零點 到_692mV段線性變化，超過部分受運算放大器負電源約束，不再線性變化；從仿真圖形可 以看出，整個電路在大于_692mV輸入信號后線性輸出。圖5為示波器XSC2的測量波形，主要電源正VCC和負電源VEE的變化趨勢，可以 看出，雖然電源正VCC上存在大量的紋波，但負電源VEE輸出非常穩定，保證了運算放大器 負電源供電的可靠性。
權利要求
一種模擬量輸出電路，其特征在于包括光電耦合器(1)、單片機(2)、濾波電路(3)、電壓輸出電路(4)、電流輸出電路(5)和輔助電源電路(6)，其中光電耦合器(1)、單片機(2)和濾波電路(3)串聯連接，單片機(2)通過光電耦合器(1)與主單片機通訊，單片機(2)輸出的PWM信號經過濾波電路(3)輸出后分別送入電壓輸出電路(4)和電流輸出電路(5)的運算放大器的正輸入端，分別輸出電壓和電流信號；輔助電源電路(6)包括由第一三極管(T1)和基準電壓芯片(U6)構成的串聯穩壓電路和硅二極管(D2)，串聯穩壓電路的負電壓輸出端與硅二極管的正極相連；所述串聯穩壓電路為單片機(2)和光電耦合器(1)供電，硅二極管(D2)陰極與電壓輸出電路(4)和電流輸出電路(5)的運算放大器負電源端相連；光電耦合器(1)為本模擬量輸出電路的輸入端，電壓輸出電路(4)和電流輸出電路(5)為本模擬量輸出電路的輸出端。
2.如權利要求1所述的模擬量輸出電路，其特征在于所述電流輸出電路(5)包括第 二三極管(T2)，電流通過運算放大器⑴5A)驅動該第二三極管輸出。
3.如權利要求2所述的模擬量輸出電路，其特征在于所述濾波電路(3)由第五電阻 (R5)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)、第九電阻(R9)和第一電容(C1)、第二 電容(C2)構成。
4.如權利要求2所述的模擬量輸出電路，其特征在于所述輔助電源電路(6)為光電 耦合器⑴和單片機⑵提供+5V穩定電源，輔助電源電路(6)為電壓輸出電路⑷和電 流輸出電路(5)的運算放大器提供-0. 7V的負電源。
5.如權利要求2所述的模擬量輸出電路，其特征在于所述電壓輸出電路和電流輸出 電路通過短路點實現變換。
6.如權利要求1-5任一項所述的模擬量輸出電路，其特征在于所述單片機(2)為 ST7LITEUS5。
7.如權利要求6所述的模擬量輸出電路，其特征在于所述基準電壓芯片(U6)為 TL431。
全文摘要
本發明公開了一種模擬量輸出電路，它包括串聯連接的光電耦合器、單片機、濾波電路，單片機輸出的PWM信號經過濾波電路輸出后分別送入電壓輸出電路和電流輸出電路的運算放大器，輔助電源電路包括由第一三極管和基準電壓芯片構成的串聯穩壓電路和硅二極管，串聯穩壓電路的負電壓輸出端與硅二極管的正極相連，所述串聯穩壓電路為單片機和光電耦合器提供+5V穩定電源，硅二極管陰極與電壓輸出電路和電流輸出電路的運算放大器負電源端相連。本發明不僅可輸出高精度正負電源的電路，降低產品隔離電源成本，還進一步實現了零點線性輸出。
文檔編號G05B19/042GK101859117SQ20101018764
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月31日 優先權日2010年5月31日
發明者陳軍方 申請人:天臺縣源華軟件技術有限公司