一种电流输出电路及其电流输出方式的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电流输出电路及其电流输出方式，该电路包括：基准单元、信号切换单元及电流输出单元，基准单元产生的基准电压信号输入到信号切换单元，控制器的输出信号也输入到信号切换单元；信号切换单元用于将基准电压信号和控制器的输出信号由共地偏移到共电源；信号切换单元的输出输入到电流输出单元；电流输出单元用于将信号切换单元的输出通过精密电阻进行反馈和信号切换单元的输出进行比较，然后输出最终共电源的电流。该方式包括：将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移到共电源；通过精密电阻实现电流的信号反馈和共电源输出。本发明只需一个精密电阻就能够实现高精度的信号输出要求，电路结构简单，成本低。
【专利说明】
一种电流输出电路及其电流输出方式
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种电流输出电路及其电流输出方式。
【背景技术】
[0002]电流输出电路适用于工业控制、楼宇控制等现场，它的主要应用是控制工业或楼宇现场的变频器、阀门等对象，实现工业现场各种参数和楼宇环境的自动控制。
[0003]目前而言，4-20mA/0-20mA电流信号是一种IEC(国际电工委员会)规定的应用在工业现场和楼宇控制中的模拟信号标准，用于信号的输入和输出，对于控制系统的输出，电流信号主要用于控制阀门的开度或者电机的速度控制从而实现了系统的自动控制。随着变频技术的不断应用，由于大功率电机变速、启停、开关闭合对控制系统设备的干扰也越来越大，对控制系统也有的影响，所以一般输出电路都采用隔离的方式来抑制外接的噪声干扰。
[0004]在电流输出电路中电流源共电源和电流源共地两种最为常见，如图1和图2所示。图1为电流源共电源电流信号输出，电流从电源到恒流源Il流出后经过负载RL返回到地；图2为电流源共地电流信号输出，对于共地的电流输出，电流从电源流出经过负载RL返回恒流源电路12和13，最后到地。由于控制阀、变频器的电流接受电路一般都没有特别的隔离措施、所以控制系统在同时控制多路控制阀或者是变频器的时候，如果各个电流输出信号没有隔离(隔离会增加很大成本)，各个信号输出的信号地有可能连接在一起，导致负载RL2和RL3上信号均流现象，导致控制系统故障，所以电流输出电路一般都采用电流源共电源的方式进行输出。在采用电流源共电源方式进行电流信号输出时，电流的反馈电阻是共电源的，和电源信号连在一起，常规的设计就需要将电流反馈信号通过电阻比例转移到共地的电平信号才能和DAC的电压输出信号进行比较，这个电路至少需要3-5颗高精度的精密电阻才能达到0.2%以上的电流传输精度的要求，电路结构复杂，成本高。
[0005]现有的大多数模拟输出电路采用图3类似的方案，在此方案中，MCU产生PffMl，PWM1数字脉冲信号通过占空比的调整来表示输出不同的电流，数字信号通过二阶滤波电路后变为模拟电压信号ADCl C3ADCl电压通过电流输出电路转化为信号输出，由于输出电流信号正端和电源连在一起(即共电源)，所以电流反馈电阻RlO上的电压需要通过R4、R5、R6、R7组成的比例电路调整后才等于ADCl的电压信号，最终电流输出信号的值等于ADC1/R10。该电路要求电阻R4、R5、R6、R7、R10都为高稳定性的精密电阻，否则反馈回路和采样电路的电阻比值不相同，会导致电流输出的负载调整率、电压调整率都会很差，达不到0.1%的精度要求。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种电流源共电源电流输出电路及其电流输出方式，只需一个精密电阻就能够完美实现电流的信号反馈和输出，实现高精度的信号输出要求，电路结构简单，成本低，信号输出精度高。
[0007]为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的:
[0008]本发明提供一种电流输出电路，其包括:基准单元、信号切换单元以及电流输出单元，其中，
[0009]所述基准单元用于产生基准电压信号；
[0010]所述基准单元产生的所述基准电压信号输入到所述信号切换单元，所述控制器的输出信号也输入到所述信号切换单元;所述信号切换单元用于将所述基准电压信号和所述控制器的输出信号由共地偏移到共电源；
[0011]所述信号切换单元的输出输入到所述电流输出单元;所述电流输出单元用于将所述信号切换单元的输出通过精密电阻进行反馈和所述信号切换单元的输出进行比较，然后输出最终共电源的电流。
[0012]较佳地，所述基准单元包括:基准芯片及其外围电路，所述基准芯片用于产生基准电压信号，进一步地，
[0013]所述基准单元的输出为负基准电压信号。
[0014]较佳地，所述基准芯片为可控精密稳压源。
[0015]较佳地，信号切换单元包括:相互连接的隔离单元以及滤波单元；
[0016]所述隔离单元与所述基准单元相连，且与所述控制器的输出端相连，所述隔离单元用于抑制所述电流输出单元的输出端引入的噪声，还用于将所述控制器的输出信号由对地的高低电平转化为所述基准电压信号和电源之间的切换，进而将所述控制器的输出信号的占空比与所述隔离单元的输出的占空比分别对应；
[0017]所述滤波单元与所述电流输出单元相连，所述滤波单元用于将所述隔离单元的输出的占空比转化为相对应的电压信号。
[0018]较佳地，所述隔离单元包括:相互连接的光耦以及开关切换芯片，所述基准单元的输出与所述开关切换芯片的输入相连，所述控制器的输出信号输入到所述光耦;所述开关切换芯片的输出与所述滤波单元相连。
[0019]较佳地，所述滤波单元为二阶滤波单元。
[0020]本发明还提供一种电流输出方式，其包括以下步骤:
[0021 ] S11:将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移到共电源；
[0022]S12:通过精密电阻实现电流的信号反馈和共电源输出。
[0023]较佳地，所述步骤Sll具体为:通过信号切换单元将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移为共电源。
[0024]较佳地，所述步骤Sll进一步为:通过光相互连接的隔离单元以及滤波单元将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移为共电源。
[0025]相较于现有技术，本发明具有以下优点:
[0026](I)本发明提供的电流输出电路及其电流输出方式，通过隔离单元和信号切换单元将基准电压和输出信号由共地偏移到共电源，从而达到了只需一个精密电阻就能完美实现电流的信号反馈和电流信号的共电源输出，实现高精度的信号输出要求，所需的精密电阻越少，其精度越高；
[0027](2)本发明只需一个精密电阻就可实现高精度的信号输出要求，由于只有一个精密电阻，不需要进行精密电阻之间的匹配，所以电流输出的高精度能够得到保证，很容易达至IJ0.1 %的精度，实现容易，电路设计简单，成本低，产品可靠性高。
[0028]当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
【附图说明】
[0029]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明:
[0030]图1为现有的电流源共电源电流信号输出电路；
[0031]图2为现有的电流源共地电流信号输出电路；
[0032]图3为现有的共电流输出电路的原理图；
[0033]图4为本发明的电流输出电路的原理图。
【具体实施方式】
[0034]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0035]实施例1:
[0036]结合图4，本实施例对本发明的电流输出电路进行详细描述，其原理图如图4所示，其包括:基准单元、信号切换单元以及电流输出单元，本实施例中，信号切换单元包括隔离单元以及滤波单元，基准单元、隔离单元、滤波单元以及电流输出单元依次连接。通过这几个单元的电路使得输出电流AO (通过AO+和AO-端子输出)=Duty (PffM_CPU占空比)*2.5V(基准电压)/R9(负载反馈电阻)，下面对各单元的组成及其原理进行详细描述。
[0037]基准单元用于产生一个以VDA电源为参考的负基准电压信号，本实施例涉及的基准芯片采用常用的TL431基准芯片(也可以采用其它更高精度的基准以达到更高的输出稳定性)，可以产生2.5V的基准电压，由于本实施例设计中以基准电压输出端(VDA)为基准参考地，以基准的地DAREF为基准输出，DAREF-VDA = -2.5V，故输出为负基准，基准电压为-
2.5V，基准信号和DAREF电平相连，输入到开关切换芯片U2。
[0038]隔离单元具备两个作用，一方面通过OPTl光耦提供数字信号的隔离，将来自控制器(MCU)的PffM信号PWM_CPU通过光耦进行隔离，从而抑制从电流输出端引入的现场噪声，提高控制系统抗干扰能力;一方面用于数字信号的整形，将MCU输出信号的高低电平转化为基准DAREF(-2.5V)和地(VDA)之间的切换，当MCU输出PWM_CPU为3.3V，光耦输出截止，光耦输出端PWMl被电阻R3上拉到VDA电平(相对VDA为0V)，开关切换芯片U2的B2和输出S导通，PWMOUT输出-2.5V电平；当MCU输出PWM_CPU为OV，光耦输出导通，输出端PWMl被下拉倒负基准电压DAREF(相对VDA为-2.5V)，开关切换芯片U2的BI和输出S导通，Pm1UT输出OV(相对VDA)电平。这样MCU输出的高电平的占空比分别对应开关切换芯片U2的输出PffMOUT的-2.5V电平的占空比。
[0039]本实施例中，滤波单元为二阶滤波单元:R4、R5、C5、C6组成一个二阶无源滤波电路，负责将开关切换芯片U2输出的数字信号PffMOUT通过滤波电路转化为和占空比相对应的电压信号Vout JCU的输出PWM_CPU高电平占空比为100%时，开关切换芯片U2的输出端始终输出-2.5V基准信号，滤波电路输出Vout = -2.5V(相对VDA);占空比为O时，滤波电路输出端Vout = OV(相对VDA)，占空比Duty = 50%时，经滤波后Vout输出信号输出为-2.5*Duty = -2.5*50% =-1.25V(相对 VDA);
[°04°]电流输出单元的主要功能是将Vout进行VI变化，该单元主要包括运算放大器U3、MOS管Q1、三极管Q3、反馈精密电阻R9、反向二极管D3和相应的辅助电阻电容组成。反向二极管D3使得电流只能从内部向外流出，保护内部电路不受外部过电压影响而损坏。U3、Q1、Q3、R6、R7、R8、R9组成恒流源电路，由于Vout的输出电压恒流源电流通过R9进行反馈和Vout进行比较，使得最终AO输出和Vout成线性比例，AO = Vout/R9，也和M⑶输出的PWM_CPU的占空比完全成正比:A0 = _2.5*Duty + R9 = Duty*2.5V/100欧姆= _Duty*25mA，符号为负表示电流由VDA流向R9;当PWM_CPU占空比为100 %，AO输出为25mA，当占空比为O %，AO输出为OmA;电流的输出和Duty的精度、基准的精度和反馈电阻稳定性相关。和其它现有电流输出电路相比，由于只有一个反馈电阻，不需要进行精密电阻之间的匹配，所以AO输出的高精度能够得到保证，很容易达到0.1 %的精度。
[0041 ] 实施例2:
[0042]本实施例对本发明的电流输出方式进行详细描述，其包括以下步骤:
[0043]S11:将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移到共电源；
[0044]S12:通过精密电阻实现电流的信号反馈和共电源输出。
[0045]电流输出电路一般都采用电流信号共地的方式进行输出，在采用电流共地方式进行电流信号输出时，电流的反馈电阻是共电源的，和电源信号连在一起，现有的设计是将电流反馈信号通过电阻比例转移到共地的电平信号才能和DAC的电压输出信号进行比较，这个电路至少需要3-5个高精度的精密电阻才能达到0.2%以上的电流传输精度的要求，电路结构复杂，成本高，且电流传输精度低;本发明是将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移到共电源，电流的反馈电阻是共电源的，这样电流的反馈电阻就可以直接与控制器的电压输出信号进行比较，这样将原来需要多个精密电阻的电压偏移电路更改为只需要一个电流反馈电阻，简化了设计，降低了成本，提高了产品的可靠性，且很容易达到0.1%的电流传输精度。
[0046]较佳实施例中，步骤Sll具体为:通过信号切换单元将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移为共电源。进一步地，步骤Sll为:通过相互连接的隔离单元以及切换单元将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移为共电源。
[0047]此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
【主权项】
1.一种电流输出电路，其特征在于，为控制器的电流输出电路，包括:基准单元、信号切换单元以及电流输出单元，其中， 所述基准单元用于产生基准电压信号； 所述基准单元产生的所述基准电压信号输入到所述信号切换单元，所述控制器的输出信号也输入到所述信号切换单元;所述信号切换单元用于将所述基准电压信号和所述控制器的输出信号由共地偏移到共电源； 所述信号切换单元的输出输入到所述电流输出单元;所述电流输出单元用于将所述信号切换单元的输出通过精密电阻进行反馈和所述信号切换单元的输出进行比较，然后输出最终共电源的电流。2.根据权利要求1所述的电流输出电路，其特征在于，所述基准单元包括:基准芯片及其外围电路，所述基准芯片用于产生基准电压信号，进一步地， 所述基准单元的输出为负基准电压信号。3.根据权利要求2所述的电流输出电路，其特征在于，所述基准芯片为可控精密稳压源。4.根据权利要求1所述的电流输出电路，其特征在于，信号切换单元包括:相互连接的隔离单元以及滤波单元； 所述隔离单元与所述基准单元相连，且与所述控制器的输出端相连，所述隔离单元用于抑制所述电流输出单元的输出端引入的噪声，还用于将所述控制器的输出信号由高低电平转化为所述基准电压信号和地之间的切换，进而将所述控制器的输出信号的占空比与所述隔离单元的输出的占空比分别对应； 所述滤波单元与所述电流输出单元相连，所述滤波单元用于将所述隔离单元的输出的占空比转化为相对应的电压信号。5.根据权利要求4所述的电流输出电路，其特征在于，所述隔离单元包括:相互连接的光耦以及开关切换芯片，所述基准单元的输出与所述开关切换芯片的输入相连，所述控制器的输出信号输入到所述光耦;所述开关切换芯片的输出与所述滤波单元相连。6.根据权利要求4所述的电流输出电路，其特征在于，所述滤波单元为二阶滤波单元。7.根据权利要求1所述的电流输出电路，其特征在于，所述电流输出单元为恒流源单元，进一步地，包括:一精密电阻，所述信号切换单元的输出通过所述精密电阻进行反馈和所述信号切换单元的输出进行比较，然后输出最终电流。8.—种电流输出方式，其特征在于，包括以下步骤: Sll:将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移到共电源； S12:通过精密电阻实现电流的信号反馈和共电源输出。9.根据权利要求8所述的电流输出方式，其特征在于，所述步骤SII具体为:通过信号切换单元将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移为共电源。10.根据权利要求8所述的电流输出方式，其特征在于，所述步骤Sll进一步为:通过光相互连接的隔离单元以及滤波单元将基准电压和控制器的输出信号由共地偏移为共电源。
【文档编号】G05F1/56GK106094954SQ201610452559
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】王凯, 童灵, 徐安军, 蔡兴良
【申请人】浙江中控自动化仪表有限公司