一种低成本高精度的模拟量电压电流输出电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种低成本高精度的模拟量电压电流输出电路，涉及输出电路。该模拟量电压电流输出电路包括数模转换电路，用于将数字信号转换成模拟电压信号；该模拟量电压电流输出电路还包括高精度电压?电压/电流变换电路；所述数模转换电路的电压信号输出端与高精度电压?电压/电流变换电路的电压信号输入端电性连接；所述高精度电压?电压/电流变换电路用于将所述模拟电压信号变换成预设模拟电压信号或预设模拟电流信号。本实用新型的优点有：采用低成本元器件，因此经济成本低；输出电压和电流的精度主要由电阻决定，可实现高精度的模拟量电压电流输出；由于使用精确度固定的元器件，无需单独的校正，因此人力成本低。
【专利说明】
一种低成本高精度的模拟量电压电流输出电路
技术领域
[0001] 本实用新型涉及输出电路，尤其涉及一种低成本高精度的模拟量电压电流输出电 路。
【背景技术】
[0002] 工业控制中，最常用的电压信号为-10V到+ 10V，最常用的电流信号为-20mA到 20mA，因此工业产品常需要把数字信号转换成-10V到+10V或-20mA到20mA的模拟信号。如把 数据信号-32000~+32000转换成-10V到+10V的模拟电压信号或-20mA到20mA的模拟电流信 号。将数字信号转换成-10V到+10V或-20mA到20mA的模拟信号，需要用到电压电流输出的电 路，将数字信号转换成模拟信号，接着将模拟信号转换成-10V到+10V或-20mA到20mA的模拟 信号，最后输出电压或模拟电流信号。
[0003] 目前，工业控制上，现有的电压电流输出的电路，一般都使用集成芯片的方案，如 图2所示，数字信号首先经过数模转换电路，接着经过电压电流变换芯片，最后输出模拟电 压信号或模拟电流信号。此种方案的优点在于:能够将数字信号转换成规定大小的模拟电 压信号或模拟电流信号。但也有不足之处，主要体现在：
[0004] 1.集成芯片市场价格高，因此经济成本高；
[0005] 2.电压与电流输出的精度低；
[0006] 3 ?需要进行单独的校正，耗费大量的人力物力。
【发明内容】
[0007] 为解决现有技术的不足，本实用新型提供一种低成本高精度的模拟量电压电流输 出电路，实现将电压电流输出电路的成本降低，精度提高，满足工业控制的需要。
[0008] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，一种低成本高精度的模拟量电 压电流输出电路，该模拟量电压电流输出电路包括数模转换电路，用于将数字信号转换成 模拟电压信号；该模拟量电压电流输出电路还包括高精度电压-电压/电流变换电路;所述 数模转换电路的电压信号输出端与高精度电压-电压/电流变换电路的电压信号输入端电 性连接;所述高精度电压-电压/电流变换电路用于将所述模拟电压信号变换成预设模拟电 压信号或预设模拟电流信号；
[0009] 所述高精度电压-电压/电流变换电路包括电压差值放大单元、输出电流控制单 元、第一保护单元、提供电流单元、第一防电涌冲击单元、第二防电涌冲击单元、防电流反串 单元;所述电压差值放大单元用于把输入电压与基准电压的差值进行放大;所述输出电流 控制单元用于根据输入电压的大小，控制输出电流的大小;所述第一保护单元用于保护电 压差值放大单元，防止端口大电压的干扰信号对电压差值放大单元造成损坏;所述提供电 流单元用于提供电流;所述第一防电涌冲击单元与第二防电涌冲击单元用于防止负载上的 电涌信号对该高精度电压-电压/电流变换电路造成冲击;所述防电流反串单元用于防止电 流输出端口的电流反串到回路中造成该高精度电压-电压/电流变换电路损坏。
[0010] 进一步的，所述高精度电压-电压/电流变换电路还包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、 电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7;输出电压的精度由所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4决 定;输出电流的精度由所述电阻R5、电阻R6、电阻R7决定。
[0011] 进一步的，所述高精度电压-电压/电流变换电路还包括第二保护单元，该第二保 护单元用于保护电阻R7,防止端口大电流的干扰信号使电阻R7损坏;所述第二保护单元具 体为保险管2。
[0012] 进一步的，所述电压差值放大单元为运算放大器U1;所述输出电流控制单元包括 运算放大器U2与运算放大器U3;所述第一保护单元为保险管1;所述提供电流单元包括三极 管Q1、三极管Q2;所述第一防电涌冲击单元为限压二极管D1;所述第二防电涌冲击单元为限 压二极管D2;所述防电流反串单元为整流二极管D3。
[0013] 进一步的，所述第一防电涌冲击单元与第二防电涌冲击单元用于防止电涌信号对 该高精度电压-电压/电流变换电路造成冲击具体为:所述第一防电涌冲击单元用于防止负 载1上的电涌信号对该高精度电压-电压/电流变换电路造成冲击;所述第二防电涌冲击单 元用于防止负载2上的电涌信号对该高精度电压-电压/电流变换电路造成冲击。
[0014] 进一步的，所述提供电流单元起到提供电流的作用，具体为：当输出正电流0mA~ 20mA时，电流从+15V流经三极管Q1，再经过电阻R7流向负载，当输出负电流-20mA~0mA时， 电流从负载流经电阻R7，再经过三极管Q2流向-15V。
[0015] 本低成本高精度的模拟量电压电流输出电路的有益效果在于：
[0016] 1.本电路采用运算放大器、电阻、二极管和三板管等低成本元器件，因此经济成本 低；
[0017] 2.输出电压和电流的精度主要由电阻决定，可实现高精度的模拟量电压电流输 出；
[0018] 3.本电路由于使用精确度固定的元器件，无需单独的校正，因此人力成本低。
【附图说明】
[0019] 图1为本实用新型低成本高精度的模拟量电压电流输出电路的框图；
[0020] 图2为现有技术一种电压电流输出电路的框图；
[0021] 图3为本实用新型中高精度电压一电压/电流变换电路的框图；
[0022] 图4为本实用新型中高精度电压一电压/电流变换电路的原理图；
[0023]图中：101为数模转换电路、102为高精度电压-电压/电流变换电路、201为电压差 值放大单元、202为输出电流控制单元、203为第一保护单元、204为提供电流单元、205为第 一防电涌冲击单元、206为第二防电涌冲击单元、207为防电流反串单元、208为第二保护单 J L 〇
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0025] 如图1所示，该低成本高精度的模拟量电压电流输出电路包括:数模转换电路101， 高精度电压-电压/电流变换电路102。所述数模转换电路101的电压信号输出端与高精度电 压-电压/电流变换电路102的电压信号输入端电性连接。所述数模转换电路101用于将数字 信号转换成模拟电压信号。所述高精度电压-电压/电流变换电路102用于将所述模拟电压 信号变换成预设模拟电压信号或预设模拟电流信号。具体为:所述数模转换电路101将数字 信号转换成〇~5V的模拟电压信号。所述高精度电压-电压/电流变换电路102将所述0~5V 的模拟电压信号变换成预设的-10V~+10V的模拟电压信号，并输出-10V~+10V电压，或者， 将所述0~5V的模拟电压信号变换成预设的-20mA~20mA的模拟电流信号，并输出-20mA~ 2 0mA电流。
[0026] 如图3与图4所示，所述高精度电压-电压/电流变换电路102包括电压差值放大单 元201、输出电流控制单元202、第一保护单元203、提供电流单元204、第一防电涌冲击单元 205、第二防电涌冲击单元206、防电流反串单元207。所述电压差值放大单元201用于把输入 电压与基准电压的差值进行放大。所述输出电流控制单元202用于根据输入电压的大小，控 制输出电流的大小。所述第一保护单元203用于保护电压差值放大单元201，防止端口大电 压的干扰信号对电压差值放大单元201造成损坏。所述提供电流单元204用于提供电流。所 述第一防电涌冲击单元205用于防止负载1上的电涌信号对该高精度电压-电压/电流变换 电路102造成冲击。所述第二防电涌冲击单元206用于防止负载2上的电涌信号对该高精度 电压-电压/电流变换电路102造成冲击。所述防电流反串单元207用于防止电流输出端口的 电流反串到回路中造成该高精度电压-电压/电流变换电路102损坏。
[0027] 所述高精度电压-电压/电流变换电路102还包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻 R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、负载1、负载2。其中，电阻R1、电阻R2、电阻R3、 电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9的电阻大小分别为2K、8K、2K、8K、10K、2K、 25K、1 OK、2K。输出电压的精度由所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4决定。输出电流的精度 由所述电阻R5、电阻R6、电阻R7决定。
[0028]所述高精度电压-电压/电流变换电路102还包括第二保护单元208,该第二保护单 元208用于保护电阻R7,防止端口大电流的干扰信号使电阻R7损坏。所述第二保护单元208 具体为保险管2。
[0029]所述电压差值放大单元201为运算放大器U1。所述输出电流控制单元202包括运算 放大器U2与运算放大器U3。所述第一保护单元203为保险管1。所述提供电流单元204包括三 极管Q1、三极管Q2。所述第一防电涌冲击单元205为限压二极管D1。所述第二防电涌冲击单 元206为限压二极管D2。所述防电流反串单元207为整流二极管D3。
[0030]所述提供电流单元204起到提供电流的作用，具体为：当输出正电流0mA~20mA时， 电流从+15V流经三极管Q1，再经过电阻R7流向负载，当输出负电流-20mA~0mA时，电流从负 载流经电阻R7，再经过三极管Q2流向-15V。
[0031]运算放大器U1的反向输入端连接电阻R1后接入2.5V基准电压。运算放大器U1的同 向输入端连接电阻R3后与所述数模转换电路101的电压信号输出端电线连接。电阻R4的一 端接地，另一端与运算放大器U1的同相输入端连接。运算放大器U1的输出端与保险管1的输 入端电性连接。保险管1的输出端分两路，一路连接电阻R2后与运算放大器U1的反向输入端 连接，另一路与限压二级管D1及负载1连接。限压二级管D1与负载1并联连接，负载1的另一 端接地。
[0032]运算放大器U2的反向输入端连接电阻R5后接入2.5V的基准电压。运算放大器U2的 同向输入端分两路，一路连接电阻R8后与所述数模转换电路101的电压信号输出端电线连 接，另一路连接电阻R9后与运算放大器U3连接。运算放大器U2的输出端与三极管Q1的基极 及三极管Q2的基极连接。三极管Q1的发射极连接三极管Q2的发射极。三极管Q1的集极与三 极管Q2的集极分别接入+15V电源、-15V电源。三极管Q1与三极管Q2构成的组合电路的输出 端分两路，一路连接电阻R6后与运算放大器U2的反向输入端连接，另一路连接电阻R7后又 分两路，其中一路连接到运算放大器U3的同相输入端，另一路与限压二级管D2、整流二极管 D3及负载2连接。限压二级管D2、整流二极管D3、负载2之间并联连接。负载2的另一端接地。 整流二极管D3的输出端与保险管2连接。
[0033]所述运算放大器U1把输入电压Vi与2.5V基准电压的差值进行放大、具体是把0~ 5V的电压信号变换成-10V~+10V的工业控制最常用的电压信号。所述运算放大器U2与所述 运算放大器U3构成运算电路，根据输入电压Vi的大小，控制输出电流1〇的大小，且当负载2 大小发生变化时，运算放大器U3、电阻R8与电阻R9构成的反馈电路使得输出电流1〇保持恒 定。所述限压二极管D1与限压二极管D2分别用于防止负载1与负载2上的电涌信号对电路造 成冲击，当负载1或负载2上的电涌信号大于+15V或者小于-15V时，电涌信号将由于二极管 的单向导通作用，被限位到正负15V范围内。
[0034]电压一电压/电流变换电路的电压输出部分电路分析如下：
[0035]由运算放大器的正反输入端电压相等，可得到以下公式：
[0037] 由此公式可以得知:Vi=0V 时，Vo=-10V;Vi=2.5V 时，Vo=0V;Vi=5V 时，V〇=10V。所以， 此电压一电压/电流变换电路可以把0~5V的信号变换成为-10V~10V的电压信号。
[0038] 电压一电压/电流变换电路的电流输出部分电路分析如下：
[0039] 由图3可知，电流
，要算出电流输出，必须先知道Vol和VI的大小。根据 运算放大器的特性可知，U2正端无电流流入，U3正端电位等于负端电位，所以Vol=Vi。因为 U2正端电压等于负端电位，可以得到如下公式：
[0040] 所以 ，当Vi=0V时，Io=-20mA;Vi=2.5V时，Io=0mA;Vi=5V时，1〇= 20mA〇
[0041]电路精度分析：由上面计算输出电压和输出电流的计算公式可知，当前端数模转 换电路101精度一定的前提下，输出电压的精度主要由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4决 定，输出电流的精度主要由电阻R5、电阻R6、电阻R7决定。在实际电路实施中，上述电阻可采 用精度误差为千分之一精密电阻，当需要更高精度的电压电流输出的时候，可采用精度误 差为万分之五精密电阻。所以，本电路可实现高精度的模拟量电压电流输出。
[0042]由于本电路只用到了运算放大器、电阻、二极管和三极管等低成本元器件，相对于 集成的电压电流转换方案，经济成本低，有很大的成本优势。而且对于集成的电压电流转换 芯片，由于其内部电路的复杂和制作工艺等问题，其零点误差(如输出0V)和满输出误差(如 输出10V)，很难得到保证，所以在使用时必须经过单独的校正，而本电路由于使用精确度固 定的元器件，无需单独的校正，人力成本低。
[0043]本低成本高精度的模拟量电压电流输出电路具有的优点有：1.本电路采用运算放 大器、电阻、二极管和三板管等低成本元器件，因此经济成本低；2.输出电压和电流的精度 主要由电阻决定，可实现高精度的模拟量电压电流输出；3.本电路由于使用精确度固定的 元器件，无需单独的校正，因此人力成本低。
【主权项】
1. 一种低成本高精度的模拟量电压电流输出电路，包括数模转换电路（IOI)，用于将数 字信号转换成模拟电压信号;其特征在于，该模拟量电压电流输出电路还包括高精度电压-电压/电流变换电路（102);所述数模转换电路（I 01)的电压信号输出端与高精度电压-电 压/电流变换电路（102)的电压信号输入端电性连接;所述高精度电压-电压/电流变换电路 (102)用于将所述模拟电压信号变换成预设模拟电压信号或预设模拟电流信号； 所述高精度电压-电压/电流变换电路（102)包括电压差值放大单元(201)、输出电流控 制单元(202)、第一保护单元(203)、提供电流单元(204)、第一防电涌冲击单元(205)、第二 防电涌冲击单元(206)、防电流反串单元(207);所述电压差值放大单元(201)用于把输入电 压与基准电压的差值进行放大;所述输出电流控制单元(202)用于根据输入电压的大小，控 制输出电流的大小;所述第一保护单元(203)用于保护电压差值放大单元(201)，防止端口 大电压的干扰信号对电压差值放大单元(201)造成损坏;所述提供电流单元(204)用于提供 电流;所述第一防电涌冲击单元(205)与第二防电涌冲击单元(206)用于防止电涌信号对该 高精度电压-电压/电流变换电路（102)造成冲击;所述防电流反串单元(207)用于防止电流 输出端口的电流反串到回路中造成该高精度电压-电压/电流变换电路(102)损坏。2. 根据权利要求1所述的低成本高精度的模拟量电压电流输出电路，其特征在于，所述 高精度电压-电压/电流变换电路（102)还包括：电阻RU电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电 阻R6、电阻R7;输出电压的精度由所述电阻Rl、电阻R2、电阻R3、电阻R4决定;输出电流的精 度由所述电阻R5、电阻R6、电阻R7决定。3. 根据权利要求1所述的低成本高精度的模拟量电压电流输出电路，其特征在于，所述 高精度电压-电压/电流变换电路（102)还包括第二保护单元(208)，该第二保护单元(208) 用于保护电阻R7,防止端口大电流的干扰信号使电阻R7损坏;所述第二保护单元(208)具体 为保险管2。4. 根据权利要求1所述的低成本高精度的模拟量电压电流输出电路，其特征在于，所述 电压差值放大单元(201)为运算放大器Ul;所述输出电流控制单元(202)包括运算放大器U2 与运算放大器U3;所述第一保护单元(203)为保险管1;所述提供电流单元(204)包括三极管 Q1、三极管Q2;所述第一防电涌冲击单元(205)为限压二极管Dl;所述第二防电涌冲击单元 (206)为限压二极管D2;所述防电流反串单元(207)为整流二极管D3。5. 根据权利要求1所述的低成本高精度的模拟量电压电流输出电路，其特征在于，所述 第一防电涌冲击单元(205)与第二防电涌冲击单元(206)用于防止电涌信号对该高精度电 压-电压/电流变换电路（102)造成冲击具体为:所述第一防电涌冲击单元(205)用于防止负 载1上的电涌信号对该高精度电压-电压/电流变换电路（102)造成冲击;所述第二防电涌冲 击单元(206)用于防止负载2上的电涌信号对该高精度电压-电压/电流变换电路(102)造成 冲击。6. 根据权利要求1所述的低成本高精度的模拟量电压电流输出电路，其特征在于，所述 提供电流单元(204)起到提供电流的作用，具体为：当输出正电流OmA~20mA时，电流从+15V 流经三极管Ql，再经过电阻R7流向负载，当输出负电流-20mA~OmA时，电流从负载流经电阻 R7,再经过三极管Q2流向-15V。
【文档编号】G05F1/46GK205563343SQ201620314164
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】姚永兴
【申请人】深圳市汇辰自动化技术有限公司