专利名称：电压信号调理电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种调理电路，特别是指一种用于工业过程自动化控制终端设备中，用以将现场提供的交流电压信号调理成标准信号的电压信号调理电路，以供模拟量输入电路进行采集，随时监测现场控制设备供电电压的起伏，从而保证设备的正常运转，特别适合于石化、给排水、电力、冶金等领域的工业过程自动化控制终端设备测量交流电压信号，将电压信号转换为4～20mA电流信号传给模拟量输入电路，完成电流信号的测量和显示。
背景技术：
目前，在我国应用于工业自动化领域控制设备中将输入的单项电压信号调理成标准信号的电路，由于电路设计简单，在设计时也没有考虑降低现场干扰信号对电路的作用和破坏，造成单项电压转换信号误差大、输出不稳定、测量数据不准确，给整个自动化控制系统造成极大影响，另外，不能根据现场实际情况进行调零、调满度，给实际操作带来很大不便。
发明内容
本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提出的一种用于自动化控制终端的电压信号调理电路，它可以同时将一路交流电压信号(0-500VAC)，转换成标准的4-20mA直流电流信号，不仅测量精度高，更适于根据实际情况进行调节，方便了实际操作。
本实用新型的目的可以通过以下措施来达到一种用于自动化控制终端的电压信号调理电路，该电路由电压互感采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路、基准电路组成，其电路的具体连接如下
在互感器T1原边串联电阻R21，互感器副边并联双向瞬变抑制二极管CR1和采样电阻R1，副边一端接地，副边非接地端通过电阻R2接入放大器U5B MXL1013负输入端，同时通过电阻R3接入U5B的输出端和单片机U6PIC16F73的管腿2，基准电压5Vref经分压电阻R4接在U5B的正输入端和通过电阻R5到地；在单片机的复位管脚1接复位芯片U8 X5043的管腿7，提供一个低电平的复位信号，同时通过上拉电阻R6接入电源VCC，管腿1、4、5、6接地，管腿3、8接电源VCC；单片机U6 PIC16F73的管腿5接基准电压5Vref，管腿8接地，管腿9、10接晶体Y1和两个电容C4、C5形成的振荡电路，管腿20接电源VCC，管腿19接地，管腿19、20间并联电容C6，管腿14、16分别通过上拉电阻R10、R11接入电源VCC，管腿12、13、14、16分别接D/A转换芯片U7的管腿13、8、7、6；D/A转换芯片U7的管腿14接电源VCC，管腿1接地，管腿1、14间并联电容C7，基准电压5Vref接串联的电阻R8、R9至地，其中点接D/A转换芯片U7的管腿2、3、4、5；D/A转换芯片U7的管腿12接串联的电阻R12、电位器W6、电阻R22、电容C9到地，基准电压5Vref接串连的电位器WZ、电阻R13组成的调零电路至电位器W6和电阻R22的连接点、U9A的负输入端和通过电阻R14接运算放大器U9A输出端，U9A的正输入端接地，-15V通过串连的降压电阻R24、R22到地，R24、R22连接点和+15V分别向U9A提供电压，U9A的输出端通过电阻R15接U9B的负输入端和通过并联的电阻R17、电容C8，再和电阻R9串连接U9B的输出端，U9B的输出端通过电阻R20接电流4～20mA的输出端，电流4～20mA的输出端通过串连的电阻R18、R16接地，电阻R18、R16的连接点接U9B的正输入端。
本实用新型相比现有技术具有如下优点
该用于自动化控制终端的电压信号调理电路，该电路采用24VDC电源供电，采集的是一路0-500V交流电压信号，输出为标准4-20mA直流信号，输出信号可以通过模拟量输入电路采集送至控制器进行处理；该电路已经制成了模块，安装方便快捷；整个电路还提供了±6V瞬变保护；测量精度在常温下为常温±1.5％，全程温度范围±3％；由于本实用新型采用的都是工业级元器件，可适应的温度范围为-40℃～70℃，能够在较恶劣的环境下工作。
图1.电压信号调理电路图；图2.电压信号调理电路程序流程图。
具体实施方式
请参考图1电压信号调理电路图，此电路的目的是测量0-500VAC电压信号。在电路的入口处使用了电压互感器接收电压信号，在互感器原边串联了一个电阻，使得副边可以得到0-2mA交流电流信号，对这个信号我们再进行电阻采样可得到0-1.2VAC信号供后面电路处理。
采集电压信号并对信号进行处理，电路中使用了PIC16F73单片机，此单片机内置4路8位A/D。将0-1.2V交流信号进行放大和升压处理后送入这些A/D通道，经过处理变为数字信号送出。
数字信号送入8位D/A转换器TLV5620转变为直流电压信号，再经过V/I转换电路输出4-20mA的直流电流信号，此电流信号可带700Ω左右的负载。
该电路由电压互感采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路、基准电路、电源电路组成，现对各部分进行说明。
电压互感采样、放大、升压电路在输入端经过互感器T1并联6V双向瞬变抑制二极管CR1和采样电阻R1，其中二极管是为了降低干扰信号对电路的作用和破坏，T1的副边输出0-2mA交流电流，R1为采样电阻，产生0-1.2V交流电压，输入端通过电阻R2接入放大器U5 MXL1013负输入端，同时通过电阻R3接入U5的输出端；由于此信号由一部分处在零电位以下，所以需要将信号整体波形升至零电位之上，电路中采用一个5V基准电压经过分压接在放大器的正端将信号提升至零点电位之上，然后信号经过放大送到后面电路中。U5的输出端接入单片机U6 PIC16F73的管腿A0。
A/D采集电路电路中使用了单片机U6 PIC16F73自带的8位A/D转换功能。此A/D转换器是采用逐次逼近法进行数模转换，其模拟基准电压可用软件编程选择，可以为芯片的正电源电压Vdd，也可以从Vref引脚上外加电压值，本电路采用外加基准电压。单片机U6的管腿A3接入5Vref，Vss管腿接地，其管腿9、10之间并联一个晶体Y1和两个电容C4、C5接地，形成的振荡电路，为单机片提供工作频率。管腿C1、C2、SCL、C5分别接入D/A转换芯片的管腿LDAC、LOAD、CLK、DATA，其中单片机的管腿SCL、C5通过上拉电阻接入电源VCC，使其在没有信号时为高电平；管腿Vdd接入电源VCC，通过滤波电容C6接地，管腿Vss接地；为了加电得到一个可靠的复位信号，在单片机的复位管脚接上芯片U8 X5043，它在加电时可为单片机提供一个低电平的复位信号，管腿Vpp接入复位芯片U8 X5043的管腿RST，同时通过上拉电阻R6接入电源VCC。
D/A转换电路电路中使用了D/A转换芯片U7 TLV5620，其管腿VCC接入5V电源，通过电容C7接地，管腿GND接地；它提供了四路8位D/A转换，输出为直流电压信号。满足了本电路只需要一路转换的需要。U7的管腿REFA、REFB、REFC、REFD分别通过电阻R8接入5Vref，同时通过下拉电阻R9接地；U7提供了标准的SPI接口，用它与单片机PIC16F73的SPI进行接口简化了电路和程序的设计；通过管腿DACA通过由电阻、电位器、运算放大器组成的反相加法器接入V/I转换电路。
V/I转换电路
在电路中可以通过调节电位器来调节零点和满度，其中标号为Wz的电位器是当输入为零时，输出调节零点；标号Wg的电位器是当输入为500VAC时，输出调节满度。Vref为5V基准电压，5Vref通过调零电路接入运放器U9A的负输入端，同是通过串联阻容滤波电路接地，其正输入端接地，由电源电路为其提供±15V电压，D/A转换芯片U7管腿12DACA通过调满度电路接入U9A的负输入端，其中D/A输出的0-5V信号，由D/A输出的电压信号和基准信号经过反相加法器后得到-0.2～-1V的电压信号。该电压信号经过V/I转换电路后输出为4-20mA的标准输出电流。V/I转换电路连接如下U9A的输出端通过电阻接入运算放大器U9B的负输入端，同时通过并联的阻容滤波电路和一个电阻接入U9B的输出端后通过一个电阻接入输出端OUT，U9B的正输入端通过下拉电阻接地，同时经过一个电阻接输出端OUT。
基准电路电路使用了基准芯片U2 REF02产生的5V电压作为基准电压，由于电路中有多处使用基准电压，考虑到它的负载能力问题，在5V输出部分加入射级跟随器MXL1013，提高5V的负载能力，该射级跟随器由电源电路为其提供±15V电压。
电源电路该电路采用24VDC供电，由于电路中需要5V和±15V电压，这就需要在电路中进行电压变化。电路中处理器和D/A电路需要5V供电，所以使用LM2575-5.0开关式电压转换器件将24V转变为5V供电路使用。为防止电源接反，在电源入口处串联二极管CR2；同时为了防止电源误接高压，在电源输入端并联瞬变抑制二极管CR3，24V电源通过CR2接入U1的管腿VIN，在VIN端与接地端并联一个电解电容E1，与管腿ON/OFF之间并联电容C1，电压输出端OUT通过电感L1输出5V电压，在电感L1的两端与地之间分别并联一个二极管电CR4和一个电解电容E2。
基准电路、放大电路和V/I电路需要±15V供电，先使用三端稳压器U37815将24V转变为+15V，然后使用U4 7662将+15V反向得到-15V电压。
请参考图2电压信号调理电路程序流程图，由于单片机PIC16F73自带的SPI接口和A/D接口，使程序设计变得非常简单。在程序设计时只需考虑采集什么样的数值能够反映输入状态，和如何进行软件滤波。A/D输入的是50Hz的电压信号，只要采集到它的峰峰值即可表示输入的状态，并根据峰峰值决定输出。程序中每次连续采集255个点，每个点的采集时间为100μS左右，整个采集时间为25ms，比信号周期20ms多出5ms，从中得到最小值与最大值，并计算出信号的峰峰值。
软件是采用对采集到的峰峰值进行滑动平均滤波的算法，用以保证输出的稳定性。
该用于自动化控制终端的电压信号调理电路，已制成模块，本厂编号和名称为E305B电压调理模块。
电压信号调理模块外形尺寸为(长)118mm×(宽)108mm×(高)44mm，采用ECHOB型模块封装壳体。安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，输出信号可直接通过模拟量输入模块采集。
E305B模块采用24VDC电源供电，采集的是0-500VAC电压信号，输出为标准4-20mA直流信号。输出信号可以用模拟量输入模块采集送至控制器进行处理。
模块使用接线端子与外围电路连接，其中两个端子为0-500VAC电源输入；两个端子为24VDC电源输入，两路为4-20mA信号输出端。推荐使用22～12AWG的标准电线。
E305B模块适用于各种控制终端设备中，以测量提供给控制设备的交流电压的起伏，从而判断其电压输入是否正常，用于保护控制设备。现场应用表明，E303B电流调理模块具有应用灵活、精度高、可靠性高、安装使用方便等特点、并可应用于-40℃～70℃的环境温度。适用于野外恶劣的工业现场环境。
权利要求1.一种用于自动化控制终端的电压信号调理电路，其特征在于该电路由电压互感采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路、基准电路组成，其电路的具体连接如下在互感器T1原边串联电阻R21，互感器副边并联双向瞬变抑制二极管CR1和采样电阻R1，副边一端接地，副边非接地端通过电阻R2接入放大器U5BMXL1013负输入端，同时通过电阻R3接入U5B的输出端和单片机U6PIC16F73的管腿2，基准电压5Vref经分压电阻R4接在U5B的正输入端和通过电阻R5到地；在单片机的复位管脚1接复位芯片U8 X5043的管腿7，提供一个低电平的复位信号，同时通过上拉电阻R6接入电源VCC，管腿1、4、5、6接地，管腿3、8接电源VCC；单片机U6 PIC16F73的管腿5接基准电压5Vref，管腿8接地，管腿9、10接晶体Y1和两个电容C4、C5形成的振荡电路，管腿20接电源VCC，管腿19接地，管腿19、20间并联电容C6，管腿14、16分别通过上拉电阻R10、R11接入电源VCC，管腿12、13、14、16分别接D/A转换芯片U7的管腿13、8、7、6；D/A转换芯片U7的管腿14接电源VCC，管腿1接地，管腿1、14间并联电容C7，基准电压5Vref接串联的电阻R8、R9至地，其中点接D/A转换芯片U7的管腿2、3、4、5；D/A转换芯片U7的管腿12接串联的电阻R12、电位器W6、电阻R22、电容C9到地，基准电压5Vref接串连的电位器WZ、电阻R13组成的调零电路至电位器W6和电阻R22的连接点、U9A的负输入端和通过电阻R14接运算放大器U9A输出端，U9A的正输入端接地，-15V通过串连的降压电阻R24、R22到地，R24、R22连接点和+15V分别向U9A提供电压，U9A的输出端通过电阻R15接U9B的负输入端和通过并联的电阻R17、电容C8，再和电阻R9串连接U9B的输出端，U9B的输出端通过电阻R20接电流4～20mA的输出端，电流4～20mA的输出端通过串连的电阻R18、R16接地，电阻R18、R16的连接点接U9B的正输入端。
专利摘要本实用新型涉及一种电压信号调理电路。该电路由电压互感采样、放大、升压电路、A/D采集电路、单片机处理电路、D/A转换电路、V/I转换电路、基准电路、电源电路组成。此电路测量0－500VAC电压信号，信号经电压互感器在副边可以得到0－2mA交流电流信号，电阻取样后得到0－1.2VAC信号供后面电路处理，PIC16F73单片机内置4路8位A/D，将0－1.2V交流信号进行放大和升压处理后送入A/D通道，经过处理变为数字信号送出，数字信号送入8位D/A转换器TLV5620转变为直流电压信号，再经过V/I转换电路输出4－20mA的直流电流信号。该电路具有瞬变保护，测量精度高，可靠性强。
文档编号G08C19/00GK2580535SQ0228597
公开日2003年10月15日 申请日期2002年11月13日 优先权日2002年11月13日
发明者俞凌, 庄贵林 申请人:北京安控科技发展有限公司