[发明专利]一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置

说明书

技术领域

本发明属于直流输出装置技术领域。具体涉及一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置。

背景技术

在工业现场，如果采集的信号经调理后是电压信号并且进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线很容易受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电源也是个问题。

为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，工业现场大量采用直流电流来传输信号。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻理论上是无穷小的，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。因此，很多工业控制仪表中均要求有0～20mA或4～20mA直流模拟量输出功能。针对0～20mA或4～20mA的直流模拟量输出，目前主要的解决方案有以下几种：

集成芯片方案。如TI公司提供的电压/电流转换芯片XTR111以及ADI公司提供的芯片AD694等。不过此类芯片容易受到外界环境的干扰，使输出电流的精度降低。

分立元件方案。此类方案多依靠运算放大器、三极管以及电阻等组成电压/电流转换电路。此类电路也能较为精确地实现稳定电流输出的功能，并且成本低廉。因此目前大多数仪表的0～20mA或4～20mA电流输出信号都是用各种复杂的电路实现的。不过此类电路的缺陷是调整复杂、麻烦，电流输出精度不高，另外，随着电路复杂度的增加，故障发生的概率也增加。因此此类电路也逐渐不能适应产品的研发与应用。

发明内容

本发明旨在克服上述技术不足，目的是提供一种电路结构简单、输出电流精度高、操作简单和稳定性好的0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该输出装置由CPU模块、电压/电流转换模块和采样反馈模块组成。CPU模块的数据输出端P1.0-P1.7与电压/电流转换模块连接，CPU模块的数据输入端P2.0-P2.7与采样反馈模块连接，CPU模块的指令接收端RX外接上位机。

电压/电流转换模块由D/A转换器和电流输出型运算放大器组成。D/A转换器的电压输出端A_OUT和电流输出型运算放大器的电压输入端V_IN1连接，D/A转换器的数据输入端D_I0-D_I7与CPU模块的数据输出端P1.0-P1.7连接，电流输出型运算放大器的电流输出端I_OUT外接负载的电流输入端I_L1。

采样反馈模块由采样电阻、电压输出型运算放大器和A/D转换器组成。电压输出型运算放大器的电压输出端V_OUT与A/D转换器的电压输入端A_IN连接，电压输出型运算放大器的电压输入端V_IN2与采样电阻的采样输出端V_SP连接；A/D转换器的数据输出端D_o0-D_o7和CPU模块的数据输入端P2.0-P2.7连接；采样电阻的采样输入端I_IN外接负载的电流输出端I_L2。

上述技术方案中，所述的上位机为计算机、单片机、FPGA和DSP中的一种；D/A转换器的电压输出端A_OUT的电压输出范围和A/D转换器的电压输入端A_IN的电压输入范围相同。

由于采用上述技术方案，本发明由CPU模块、电压/电流转换模块和采样反馈模块组成，结构简单。在使用时，该输出装置能够自动调节，用户操作简单。只需通过用户指令对该输出装置的CPU模块进行设定，设定的直流模拟电流I_S为0～20mA或4～20mA范围内的任一值；该输出装置便自动进行如下循环，使输出的直流模拟电流I_O与设定的直流模拟电流I_S相同。

第一步：如果循环次数N＝1，根据设定的直流模拟电流I_S，CPU模块为D/A转换器设定一个数字量的初始电压值，D/A转换器再将数字量的初始电压值转换成调节中的直流模拟电压V₁；如果循环次数N＞1，则CPU模块为D/A转换器设定一个调节中的数字量的输出电压值，D/A转换器再将调节中的数字量的输出电压值转换成调节中的直流模拟电压V₁；