一种具有保护作用的电流信号采集电路的制作方法

本发明涉及信号采集电路，具体涉及一种具有保护作用的电流信号采集电路。

背景技术：

目前，现大多数传感器都向两线制发展，它只有两根接线，信号传输在的4～20mA电流里，因而具有连线简洁，传输距离远，抑制串扰能力强，安全防爆等优点。两线制传感器的其中一根接线连接24v电源模块，另一根接线输出4～20mA范围内的电流。传统两线制传感器电流输出信号采集电路结构简单，如图1所示，电源模块(PMS)为传感器供电，电源模块的电源通常是24v，可由低压差稳压器(LDO)，直流变换器(DCDC)或者交流-直流变换器(ACDC)这类电源模块管理系统实现。传感器输出的电流信号经过电阻R1后，转换为电压信号，经过缓冲器运算放大器(OP)处理后，模数转换器(ADC)对其进行采样、幅度量化。由于当前绝大部分ADC为低压工作器件，它只能工作在5v电源或5v以下电源，为了实现20ma对应模数转换器ADC满量程，R1两端的压降不可以超过5v，即R1的电阻通常小于或等于250Ω。其中P0和P1为PTC热敏电阻，它可以限定流过的电流。D0和D1是瞬态电压抑制二极管管(TVS管)，可以吸收静电释放(ESD)或者浪涌的能量。但是，在具体的应用过程中，还面临一些实际电路保护问题。例如，由于误操作，24v供电电源模块直接接入电流输入端口I1，这样会导致内部的低压器件，如运算放大器(OP)因过压而损坏。如果运算放大器(OP)选择耐高压的器件，必然大大限定了运算放大器的选择范围。同时，出现此类电压异常现象时，电路中缺乏相应的故障提示，若不快速发现问题，PTC热敏电阻P0和P1持续流过较大的电流，导致持续地发热，影响系统的稳定性和可靠性。此外，如图2所示，在多通道电流信号采集系统的一种实现结构中，几乎很难寻找到合适的耐高压模拟开关器件。

综上所述，在传统的电流信号采集电路中，当电路中突然接入高电压时，电路中没有电路异常的提示以及对异常进行处理，并保护电路中的元器件，亟待进一步改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有保护作用的电流信号采集电路，用以解决现有电流信号采集电路中存在的缺乏电路异常提示，不能保护电路中的元器件的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种具有保护作用的电流信号采集电路，所述电路包括:

信号采集电路，其包括电源模块、与所述电源模块连接的传感器以及与所述传感器连接的信号调理电路；

第一电流检测电路，对信号采集电路中传感器供电电路的输出电流状态情况监视，并输出过流状态信号；

第二电流检测电路，对所述信号调理电路中电路电流状态情况监视，并输出过流状态信号；

过流保护电路，用于根据所述第一电流检测电路或所述第二电流检测电路的输出的过流状态信号，控制传感器供电电路的断开和延时关闭。

本发明的一个实施例中，所述传感器供电电路上还连接有开关电路，所述开关电路包括mos管，所述mos管的栅极分别与R1电阻和R2电阻的一端连接，R2电阻的另一端与所述过流保护电路的输出端连接，R1电阻的另一端与所述电源模块连接；

所述mos管的漏极与所述传感器连接；

所述mos管的源极与所述电源模块连接。

本发明的一个实施例中，所述mos管的漏极与所述第一PTC热敏电阻的一端连接，所述第一PTC热敏电阻的另一端分别与第一TVS管、所述传感器连接。

本发明的一个实施例中，所述第一电流检测电路包括第一电流放大器以及电阻R0，所述电阻R0串联在所述传感器供电电路上，所述电流放大器的正极输入端与所述电阻R0一端连接，所述电流放大器的负极输入端与电阻R0的另一端连接，所述电流放大器的输出端与所述过流保护电路连接。

本发明的一个实施例中，所述第二电流检测电路包括第二电流放大器以及与所述调理电路连接的电阻R3，所述第二电流放大器的正极输入端与电阻R3一端连接，负极输入端与电阻R3的另一端连接，所述第二电流放大器的输出端与所述过流保护电路连接。

本发明的一个实施例中，所述过流保护电路包括第一电压比较器、第二电压比较器、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1以及555芯片；

所述第一电压比较器输入端与所述第一电流检测电路连接，所述第一电压比较器的输出端通过所述R4电阻与所述555芯片的TRIG端连接；

所述第二电压比较器输入端与所述第二电流检测电路连接，所述第二电压比较器的输出端通过所述R5电阻与所述TRIG端连接；

所述电源模块通过所述R6电阻与所述TRIG端连接；

所述电源模块通过所述R7电阻与555芯片的Dis端、THR端以及所述电容C1一端连接，所述电容C1的另一端接地；

所述555芯片的Q端输出控制信号控制所述传感器供电电路的断开和延时关闭。

本发明的一个实施例中，所述过流保护电路还包括异常提示电路，所述异常提示电路包括电阻R8以及发光二极管D1，所述555芯片的Q端通过所述电阻R8与所述发光二极管D1正极连接，所述发光二极管D1的负极接地。

本发明的一个实施例中，所述信号调理电路包括运电流电压转换电路、运算放大器以及模数转换器；

所述电流电压转换电路包括第二TVS管、第三TVS管、PTC热敏电阻、电阻R10、第一二极管、第二二极管，所述电流电压转换电路的输入端分别与所述第二TVS管、第二PTC热敏电阻一端连接，所述第二PTC热敏电阻的另一端分别与所述第三TVS管、所述R10电阻的一端连接，所述R10的另一端接地，所述第一二极管的正极端、所述第二二极管的负极端连接，所述第一二极管的负极端与所述第二电流检测电路的输入端连接；

所述电流电压转换电路的输出端与所述运算放大器的输入端连接，所述运算放大器的输出端与所述模数转换器的输入端连接。

本发明具有如下优点：

本发明的具有保护作用的电流信号采集电路，其在实现传感器信号采集的同时，完善地解决了电源短路到地，或者电源短路到信号输入端口时，可能导致内部器件损坏的问题，极大拓宽了内部的放大器、模拟开关器件选择范围和灵活性。同时出现该类故障时，异常提示电路可及时给出相应提示。

附图说明

图1为传统的电流信号采集电路原理图。

图2为传统的多通道电流信号采集系统的电路原理图。

图3为本发明的具有保护作用的电流信号采集电路图。

图4为本发明的一实施例的具有保护作用的电流信号采集电路原理图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图3和图4所示，本发明提供一种具有保护作用的电流信号采集电路，其包括信号采集电路，该信号采集电路包括电源模块50、与电源模块50连接的传感器SD1以及与传感器SD1连接的信号调理电路40；第一电流检测电路10，对电流信号采集电路中传感器的供电电路的输出电流状态情况监视，并输出过流状态信号；第二电流检测电路20，对信号调理电路40中电路电流状态情况监视，并输出过流状态信号；过流保护电路30，用于根据第一电流检测电路10或第二电流检测电路20的输出的过流状态信号，控制传感器SD1供电电路的断开和延时关闭。本发明的具有保护作用的电流信号采集电路在实现传感器信号采集的同时，完善地解决电源模块短路到地，或者电源模块短路到信号输入端口时可能导致电路内部器件损坏的问题，内部的放大器、模拟开关器件等也可以选用低压器件，极大拓宽了选择范围和灵活性，同时出现该类故障时，可及时给出相应提示。

其中，传感器供电电路上还连接有开关电路60，开关电路60包括mos管M0，mos管M0的栅极分别与R1电阻和R2电阻的一端连接，R2电阻的另一端与过流保护电路的输出信号端ctr连接，R1电阻的另一端与电源模块50连接；mos管M0的漏极与传感器SD1连接；mos管M0的源极与电源模块50连接。mos管M0的漏极与第一PTC热敏电阻P0的一端连接，第一PTC热敏电阻P0的另一端分别与第一TVS管D0、传感器SD1连接。

具体的，第一电流检测电路10包括第一电流放大器CC1以及电阻R0，电阻R0串联在传感器SD1供电电路上，第一电流放大器CC1的正极输入端与电阻R0一端连接，第一电流放大器CC1的负极输入端与电阻R0的另一端连接，第一电流放大器CC1的输出端与过流保护电路30连接。第二电流检测电路20包括第二电流放大器CC2以及与信号调理电路40连接的电阻R3，第二电流放大器CC2的正极输入端与电阻R3一端连接，负极输入端与电阻R3的另一端连接，第二电流放大器CC2的输出端与过流保护电路30连接。

其中，过流保护电路30包括第一电压比较器CM1、第二电压比较器CM2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1以及555芯片；第一电压比较器CM1输入端与第一电流检测电路10输出端连接，第一电压比较器CM1的输出端通过电阻R4与555芯片的TRIG端连接；第二电压比较器CM2输入端与第二电流检测电路输出端连接，第二电压比较器CM2的输出端通过R5电阻与TRIG端连接；电源模块通过所述R6电阻与TRIG端连接；电源模块通过R7电阻与555芯片的Dis端、THR端以及电容C1一端连接，电容C1的另一端接地；555芯片的Q端输出控制信号控制传感器供电电路的断开和延时关闭。过流保护电路31中还包括异常提示电路，其包括电阻R8以及发光二极管D1，555芯片的Q端通过电阻R8与发光二极管D1正极连接，发光二极管的负极接地。

信号调理电路40包括运电流电压转换电路41、运算放大器OP以及模数转换器ADC；电流电压转换电路41包括第二TVS管D10、第三TVS管D11、第二PTC热敏电阻P1、电阻R10、第一二极管D12、第二二极管D13，电流电压转换电路41的输入端分别与第二TVS管D10、第二PTC热敏电阻P1一端连接，第二PTC热敏电阻P1的另一端分别与第三TVS管D11、R10电阻的一端连接，R10电阻的另一端接地、第一二极管D12的正极端、第二二极管D13的负极端连接，第一二极管D12的负极端与第二电流检测电路的输入端连接；电流电压转换电路41的输出端与运算放大器OP的输入端连接，在电流电压转换电路41与运算放大器OP之间还设有模拟开关S1，运算放大器OP的输出端与模数转换器ADC的输入端连接。

如图3所示，通过在给传感器SD1供电的电路PV上接入第一电流检测电路10，以及在信号调理电路PI上接入第二电流检测电路20，通过第一电流检测电路10和第二电流检测电路20监测两条通路上的电流。当传感器SD1供电电路和信号调理电路40上出现超过异常电流的状况时，过流保护电路通过控制开关S0，间断切断传感器供电电路，使得电源模块PMS不会总是输出过量电流，当信号调理电路40的输入端被短接至供电端时，二极管D1吸收过量电流，此部分电流亦流过热敏电阻P1，当达到热敏电阻P1的阈值电流时，热敏电阻P1使得流过P1的电流几乎不随两端压差变大而变化，即热敏电阻P1电阻跟随两端压差增大而增大。通过热敏电阻P1和二极管D1的组合，将电阻R1一端最高钳位在V1+0.7v左右。V1可以设定在低压器件(运算放大器OP，模拟开关S)电源模块电压范围，电路中的元器件不会在短路电源模块时损坏。同时过流保护电路监视电流状态情况，通过声光讯号给出过流状态信号的异常提示，及时提示用户移除异常设定。当异常状况移除时，过流保护电路30自动控制开关S0重新接通传感器供电通路。

如图4所示，以通道一CH1信号调理电路为例，说明本发明的具有保护作用的电流信号采集电路的工作机制，信号采集电路正常工作时，二线制传感器SD1电源输入接电源模块PMS VDD1，二线制传感器SD1输出端接信号调理电路40的输入端I1，二线传感器SD1输出标准的4～20mA电流C，电流C经过第二PTC热敏电阻P1，电阻R10后流入地。电阻R10上的电压信号V＝C*R，开关S1闭合时，电压信号V经过运算放大器OP缓冲(亦可适当放大、滤波)后送到模数转换器ADC进行采样、幅度量化后，数字化的信息可以进一步处理、保存在单片机、电脑等系统里，通道一CH1信号调理电路就此完成信号采集功能。同理，当S2闭合时，采集通道二CH2上的传感器信号，以此类推。在本发明的采集电路中D10，D11作为吸收浪涌和ESD能量的器件，在正常工作时不会发挥作用，当出现异常操作时，如VDD1直接接到信号调理电路的输入端I1上时，电阻R10一端电压>VDD2+0.7。输入通路上流过的电流C1’会远大于20mA，超过20mA的电流C2’流经第二PTC热敏电阻P1，第一二极管D12，第二PTC热敏电阻P1两端的压差随电流增大而增大。第二PTC热敏电阻P1和第一二极管D12组合钳位电阻R10一端的电位不超过开关S1和运算放大器OP的耐压范围，因而不会受到损害威胁。电流C2’流经电阻R3后，电阻R3两端压差VR3＝C2’*R3。第二电流放大器CC2处理放大电压VR3信号后，送到第二电压比较器CM2一端，与参考电压Vref2作比较。当电流C2’大到一定数值时比如100mA，电压VR3依据设定超过参考电压Vref2就会使第二电压比较器CM2输出信号发生翻转。R6与R4、R5构成线与功能，即任意CM1或者CM2发生翻转时，555芯片的TRIG端都会接收到翻转信号，555芯片完成定时功能，当TRIG接收到翻转信号后，Q端信号Ctr跟着变化，控制开关电路60的M0断开，给传感器SD1的供电电路VDD1断开与电源模块PMS的连接。经过一个设定延时后，Q端信号Ctr翻转，控制开关电路60的M0闭合，给传感器SD1的供电VDD1接通电源模块PMS，延时由R7*C1的值设定。通过555芯片的定时功能，可以时刻检测短路异常是否移除，没有移除时，VDD1保持间断供电，第一PTC热敏电阻P0，第二PTC热敏电阻P1上的过流电流不会持续存在，电路中就不存在持续发热的情形。电路异常移除时，555芯片控制开关电路闭合，自动恢复连续供电，整个电路系统的稳定性得到大大优化。555芯片的Q端输出的Ctr信号也可当做报警提示信号，通过点亮LED D1实现亮光提示。同理，当VDD1短接到I1或者短接到地时，会有过量的电流C3’流过第一PTC热敏电阻P0和电阻R0，第一PTC热敏电阻P0会立即限制电源模块PMS的输出电流，从而避免PMS因过流导致过热的损坏。C3’被第一电流放大器CC1检测出来，超过设定的阈值后，比如500mA，第一电压比较器CM1发生翻转，由于电阻R6与R4，R5构成的线与功能，555芯片TRIG端的信号翻转，同样，给出了Ctr报警控制信号，控制开关电路60断开M0，进而断开电源模块PMS至VDD1的通路，实现电路的过流保护。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。