一种数字电位器器控制的4-20mA电流环电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型电路技术领域，涉及一种使用数字电位器控制4-20mA电流环电路。
【背景技术】
[0002]现有的许多工业仪器仪表都含有4_20mA电流输出功能，4_20mA电流输出可以将所测到的物理量进行远距离传输，并且还具有很强的抗干扰能力，便于对仪表的工作状态进行实时监控。
[0003]目前，微处理器数字控制的4_20mA电流环电路主要有两种实现方式:D/A转换方式和PWM转换方式。但是当前的许多微处理器是不包含DAC的，即使有些微处理器内部集成了 DAC，其精度通常不能满足实际需求，而且无法实现电气隔离，如果再外接的DAC芯片，不仅会大大地增加成本，而且在并行数据输出时，需要占用微处理器大量的I/O端口，在进行电气隔离时，会导致电路结构复杂，电路面积较大；而在实际的应用中，PWM转换方式的线性度也并不是很理想。
[0004]针对上述背景内容，研宄一种性能稳定、结构简单且价格低廉的4_20mA电流环电路，从而应用到工业仪器仪表中，具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]为了更好地解决以上的问题，本发明采用了一种数字电位器将数字量转换为电阻值，进而控制4-20mA电流信号的输出。
[0006]本发明所采用的技术方案是:
[0007]—种数字电位器器控制的4_20mA电流环电路，光电親合器Ul、U2和U3的输入端分别接收微处理器发送的数字电位器的片选信号、时钟信号和数据输入信号，而光电耦合器Ul、U2和U3的输出端直接与数字电位器U4的控制端和参考电压电路相连，实现数字电位器U4与微处理器的电气隔离，保证了微处理器不会受到损坏。
[0008]所述的参考电压电路中，工业直流电源+24V经二极管Dl和R4与稳压二极管Ql阴极相连，二极管Dl防止电源的反向接入，保证电路安全。稳压二极管Ql阴极输出的2.5V经由运算放大器U5A、R5和R6构成的同相比例运算电路放大两倍获得5V，再经过由U5B和RlO构成的射极跟随器，这样提高了整个参考电压电路的带负载能力，以便为其他功能电路提供稳定的5V电压源。
[0009]所述的数字电位器U4的电源正引脚和高电位端均连接参考电压电路，数字电位器U4的低电位端经电阻Rll接地，保证最低输出电流为4mA。数字电位器U4的抽头输出端经由运算放大器U5C和电阻R12构成的射极跟随器与4-20mA电流环电路控制端连接。其中，运算放大器U?的反相输入端作为4-20mA电流环电路的负输出端，三极管Q2的发射极作为4-20mA电流环电路的正输出端。
[0010]本发明结构简单，数字控制输出I/O 口线少易于实现电气隔离，并且线性度好、精度高、价格低廉、可靠性高，可广泛应用于各种工业仪器仪表。
【附图说明】
[0011]附图为一种数字电位器控制的4-20mA电流环电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和具体实施例详细阐述本发明。
[0013]实施例，如附图所示，数字电位器控制的4_20mA电流环电路包括:3个光电耦合器Ul、U2和U3，数字电位器U4，四运算放大器集成电路U5，二极管Dl，稳压二极管Ql，三极管Q2，电解电容Cl，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、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14。其中，光电耦合器Ul和光电耦合器U3的型号是TLP112，光电耦合器U3的型号为TLP181，数字电位器U4的型号是MCP41010，四运算放大器集成电路U5的型号是LM2902，其包含四个运算放大器U5A、U5B、U5C及U5D。
[0014]光电耦合器Ul、U2和U3的输入阴极分别连接微处理器输出的控制数字电位器的片选信号、时钟信号和数据输入信号，光电耦合器Ul的输入阳极经电阻Rl与3.3V电源连接，光电親合器Ul的输出集电极经电阻R7与参考电压电路和数字电位器相连，光电親合器Ul的输出发射极接地；光电耦合器U2的输入阳极经电阻R2与3.3V电源连接，光电耦合器U2的输出集电极经电阻R8与参考电压电路和数字电位器相连，光电親合器U2的输出发射极接地；光电耦合器U3的输入阳极经电阻R3也与3.3V电源连接，光电耦合器U3的输出集电极经电阻R9与参考电压电路和数字电位器相连，光电耦合器U3的输出发射极接地；数字电位器U4与运算放大器U5C的正相输入端相连，电阻R12跨接在运算放大器U5C的反相输入端与输出端之间，运算放大器U5C的输出端与运算放大器TOD的正相输入端连接，运算放大器U5D的反相输入端连接电阻R14的一端，并作为4-20mA电流环电路的负输出端，电阻R14的另一端接地，运算放大器U5D的输出端连接电阻R13的一端，电阻R13的另一端接入三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极与二极管Dl的阴极连接，三极管Q2的发射极作为4-20mA电流环电路的正输出端。
[0015]参考电压电路的二极管Dl的阳极连接+24V，其阴极经电解电容Cl接地，并连接到R4的一端，电阻R4的另一端与稳压二极管Ql的阴极、运算放大器U5A的正相输入端和数字电位器的高电位端相连，稳压二极管Ql的阳极接地，运算放大器U5A的反相输入端连接电阻R6的一端，并且经电阻R5接地，运算放大器U5A的输出端连接R6的另一端和运算放大器U5B的正相输入端，并分别经电阻R7、R8和R9与光电耦合器Ul、U2和U3的输出集电极相连，电阻RlO跨接在运算放大器U5B的反相输入端和输出端之间，运算放大器U5B的输出端与数字电位器的供电引脚相连。
[0016]数字电位器U4的片选引脚、时钟引脚和数据输入引脚分别与光电耦合器U1、U2和U3的输出集电极连接，数字电位器U4的电源正引脚连接参考电压电路中的运算放大器U5A的输出端，数字电位器U4的高电位端与稳压二极管Ql的阴极相连，数字电位器U4的低电位端经电阻Rll接地。
[0017]本具体实施方案的前端采用数字信号传输模式设计，代表物理量的数字信号具有较强的抗干扰能力，且易于实现光电耦合；光电耦合器使得信号现场与主控制端在电气上实现隔离，避免了主控制系统受到损坏，并且可将本发明制作成独立于主控制端的电路板，方便使用；基准电压电路为系统的各个模块提供了高稳定性的电源；由于4-20mA电流环电路采用了数字电位器进行控制，而不是采用传统的DAC或PWM转换方式，进而提高了整个系统电路的精简度和高效性。本发明可以应用在具有微处理器控制4-20mA电流输出功能的工业仪器仪表中。
【主权项】
1.一种数字电位器控制的4_20mA电流环电路，包括光电親合器U1、光电親合器U2、光电耦合器U3，数字电位器U4，四运算放大器集成电路U5A、U5B、U5C和U5DU5，二极管Dl，稳压二极管Ql，三极管Q2，电解电容Cl，电阻R1-R14 ;其特征在于， 光电親合器Ul、光电親合器U2和光电親合器U3的输入端分别接收微处理器发送的数字电位器的片选信号、时钟信号和数据输入信号，而光电親合器Ul、U2和U3的输出端直接与数字电位器U4的控制端和参考电压电路相连，实现数字电位器U4与微处理器的电气隔离；光电耦合器Ul的输入阳极经电阻Rl与3.3V电源连接，光电耦合器Ul的输出集电极经电阻R7与参考电压电路和数字电位器相连，光电親合器Ul的输出发射极接地；光电親合器U2的输入阳极经电阻R2与3.3V电源连接，光电耦合器U2的输出集电极经电阻R8与参考电压电路和数字电位器相连，光电親合器U2的输出发射极接地；光电親合器U3的输入阳极经电阻R3也与3.3V电源连接，光电耦合器U3的输出集电极经电阻R9与参考电压电路和数字电位器相连，光电耦合器U3的输出发射极接地； 数字电位器U4与运算放大器U5C的正相输入端相连，电阻R12跨接在运算放大器U5C的反相输入端与输出端之间，运算放大器U5C的输出端与运算放大器U5D的正相输入端连接，运算放大器U5D的反相输入端连接电阻R14的一端，并作为4-20mA电流环电路的负输出端，电阻R14的另一端接地，运算放大器U5D的输出端连接电阻R13的一端，电阻R13的另一端接入三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极与二极管Dl的阴极连接，三极管Q2的发射极作为4-20mA电流环电路的正输出端； 参考电压电路的二极管Dl的阳极连接+24V，其阴极经电解电容Cl接地，并连接到R4的一端，电阻R4的另一端与稳压二极管Ql的阴极、运算放大器U5A的正相输入端和数字电位器的高电位端相连，稳压二极管Ql的阳极接地，运算放大器U5A的反相输入端连接电阻R6的一端，并且经电阻R5接地，运算放大器U5A的输出端连接R6的另一端和运算放大器U5B的正相输入端，并分别经电阻R7、R8和R9与光电耦合器Ul、U2和U3的输出集电极相连，电阻RlO跨接在运算放大器U5B的反相输入端和输出端之间，运算放大器U5B的输出端与数字电位器的供电引脚相连。2.根据权利要求1所述的4-20mA电流环电路，其特征在于，所述的控制数字电位器的片选信号、时钟信号和数据输入信号均由微处理器产生。
【专利摘要】一种数字电位器器控制的4-20mA电流环电路，光电耦合器U1、U2和U3的输入端分别接收微处理器发送的数字电位器的片选信号、时钟信号和数据输入信号，而光电耦合器U1、U2和U3的输出端直接与数字电位器U4的控制端和参考电压电路相连，实现数字电位器U4与微处理器的电气隔离，保证了微处理器不会受到损坏。本发明克服了现有技术存在的问题，优化了电路，并且提高了电路的线性度和精度，减小了电路板面积、降低了电路功耗，提高了抗干扰能力，易于电气隔离，节约了生产成本，可以广泛地适用于各种工业仪器仪表当中。
【IPC分类】G05B19/04
【公开号】CN104991471
【申请号】CN201510264169
【发明人】魏东兴, 夏明
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月21日