一种4~20mA信号隔离电路及多功能隔离变送器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种对4~20mA直流电流信号进行隔离的电路及变送器，属于信号隔离传输技术领域。本实用新型专利技术包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和一组及以上的信号输出单元；窃电分流采样单元从源设备窃取能量并对输入的电流信号进行采样；所述小信号放大单元对采样信号进行放大；核心处理单元将放大后的采样信号转换成相应的数字值及PWM信号；所述信号输出单元由可控恒流源单元和滤波单元组成，可控恒流源单元受PWM信号控制而产生脉冲电流信号，经滤波单元后产生与输入端电流成线性关系的恒流信号。本实用新型专利技术所述的信号隔离电路及变送器无需独立供电电源便可正常工作，其电路结构简单，易于集成，便于生产。

【技术实现步骤摘要】
一种4~20mA信号隔离电路及多功能隔离变送器
涉及信号隔离领域，具体而言涉及一种4~20mA信号隔离电路及多功能信号变送器。
技术介绍
在当前许多工业现场及实验室，都涉及到多台设备间的数据传输，而许多有线性规律的数据多采用4~20mA直流电流的方式进行传输，为避免两台设备间相互干扰，一般会使用4~20mA的信号隔离器进行隔离。而目前市场上的信号隔离器普遍存在如下问题：1.使用昂贵的隔离器件，普遍价格偏高；2.所使用的隔离电路带有隔离电源，而隔离电源电路不但增加成本，还会占用大片的PCB面积，导致信号隔离器的体积普遍偏大，不利于集成。
技术实现思路
本技术针对现有技术存在的以上问题，提出了一种可使用常见低价元器件实现的4~20mA信号隔离电路，有效的降低了信号隔离器的材料成本，本技术所描述的4~20mA信号隔离电路仅占用很小的PCB面积，非常利于集成。为了达到以上目的，本技术采用了如图1、图2、图3所示的技术方案，描述如下：一种4~20mA信号隔离电路，其包括：窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列。所述4~20mA信号为直流信号。所述窃电分流采样单元负责从源设备的4~20mA信号输出端窃取能量并实现稳压输出，并为整个隔离采集器的隔离前端电路供电，且能够将信号输入端多余的电流全部进行分流传输；所述窃电分流采样单元还负责对信号输入端的电流进行采样，其采样信号发送到小信号放大单元。所述的隔离前端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到源设备4~20mA信号输出端口之间的所有电路，下同。所述源设备指发送承载数据的信号的设备，下同。所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大后的信号发送到核心处理单元。所述核心处理单元其负责对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D变换，并对AD转换的数字值进行相应数据处理，然后将数据处理得到的数字值转换成n路相应占空比的PWM信号，通过n组PWM信号输出端口发送到信号输出单元阵列。所述信号输出单元阵列由由n行信号输出单元组组成，所述信号输出单元组由m个信号输出单元组成，所述信号输出单元可控恒流源单元和滤波单元。所述m和n为正整数，m的值受核心处理单元的PWM信号输出端的驱动能力及可控恒流源单元控制端压降的限制，应用最多的情况为m=1或者m=2；n的值受所述核心处理单元拥有的PWM信号输出端的数量及本技术所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流限制，应用最多的情况为n=1或者n=2。所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述隔离前端电路的最小正常工作电流之和。为便于理解，后续描述中的m专指每组可控恒流源单元组中可控恒流源单元的数量，n专指可控恒流源单元组的数量。所述可控恒流源单元为指定恒流值的、拥有电气隔离控制端并能快速通断的恒流源电路，其受核心处理单元的控制而输出脉冲电流到滤波单元。所述滤波单元为1阶或多阶低通滤波电路，其对可控恒流源单元输出的脉冲电流进行滤波并将滤波后的电流输出到目标设备。所述目标设备指接收承载数据的信号的设备，下同。所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的正常工作电压应不大于所对接源设备的信号输出端在接入最大负载时的输出电压，最大承受电压应不大于所对接源设备的信号输出端的开路电压，最大允许工作电流应不大于源设备所输出的代表有效数据的最小电流，即4mA，最大承受电流应不小于源设备的信号输出端所输出的最大有效电流，即20mA。一种4~20mA信号多功能隔离变送器，其基于所述4~20mA信号隔离电路设计，在实现了所述4~20mA隔离电路功能的同时，增加了数字信号通信功能，其包括：窃电分流采样单元、小信号放大单元、多功能核心处理单元、数字信号输出单元和1组信号输出单元。所述窃电分流采样单元同所述4-20mA信号隔离电路中的窃电分流采样单元。所述小信号放大单元同所述4-20mA信号隔离电路中的小信号放大单元。所述多功能核心处理单元用于对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D变换，并进行相应的数据处理，然后将得到的数字值DA转换成相应占空比的PWM信号，通过PWM信号输出端口发送到信号输出单元；同时，核心处理单元还提供数字信号通信接口，可将数字值DA以数字信号的方式经数字信号输出单元发送给与之通信的数字信号目标设备。所述数字信号目标设备指通过数字信号与所述4~20mA信号多功能隔离变送器通信而获取源设备发送的数据信息的设备，下同。所述信号输出单元同所述4-20mA信号隔离电路中的信号输出单元。4~20mA信号多功能隔离变送器的隔离前端电路的正常工作电压应不大于所对接源设备的信号输出端在接入最大负载时的输出电压，最大承受电压应不大于所对接源设备的信号输出端的开路电压，最大允许工作电流应不大于源设备所输出的代表有效数据的最小电流，即4mA，最大承受电流应不小于源设备的信号输出端所输出的最大有效电流，即20mA。所述4~20mA信号多功能隔离变送器的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述隔离前端电路的最小正常工作电流之和。本技术的有益效果1)利用本技术所描述的4~20mA信号隔离电路，可以用低成本的方式轻松实现1入1出、1入2出乃至1入多出的信号隔离器。2)本技术所描述的4~20mA信号隔离电路所用元器件价格低廉、数量不多，且均有小封装形式，如此便大大节约了成本和空间，便于小型化、集成化。3)本技术所描述的4~20mA信号隔离电路的输入侧产生的压降可低至2.5V以下，也就是相当于在信号输出设备的4~20mA回路中串入了一个大约120欧的电阻，而多数4~20mA输出设备的带负载能力能够达到350欧以上，4~20mA信号输入设备的输入电阻也不会大于200欧，这就允许将本技术所述的4~20mA信号隔离电路的输入侧以串联方式接入原有的4~20mA信号通信回路中，可节约一个输出通道，进而节约安装成本。4)本技术所描述的4~20mA信号多功能变送器，可实现模拟信号到模拟信号的隔离传输、数字信号到模拟信号的隔离传输以及模拟信号到数字信号的隔离传输。5)本技术所描述的4~20mA信号多功能变送器，其提供的模拟信号到数字信号的转换传输功能，不但为使用方提供了更多的选择性，而且利用这种模式，就相当于将信号最终接收方的AD转换任务前移到了模拟量信号的输出方，省去了中间模拟量到模拟量隔离的环节，代之以数字信号的隔离传输。专业人士都知道，再好的模拟信号隔离器都会有误差，而数字信号的隔离传输是没有误差可言的，这就大大提高了信号传输的准确度。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能根据这些附图获得其他的附图。图1:为本技术所述的4~20mA信号隔离电路的原理框图及应用说明框图；图2：为本技术所述的4~20mA信号隔离电路的顶层电路原理图1；图3：为本技术所述的4~20mA信号隔离电路的顶层电路原理图2；图4：为本技术所述的窃电分流单元的电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种4~20mA信号隔离电路，其特征在于其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列；所述4~20mA信号为直流信号；所述窃电分流采样单元负责从源设备的4~20mA信号输出端窃取能量并实现稳压输出，并为整个隔离采集器的隔离前端电路供电，且能够将信号输入端多余的电流进行分流传输；所述窃电分流采样单元还负责对信号输入端的电流进行采样，其采样信号发送到小信号放大单元；所述的隔离前端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到源设备4~20mA信号输出端口之间的所有电路；所述源设备指发送承载数据的信号的设备；所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大后的信号发送到核心处理单元；所述核心处理单元其负责对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D转换，并对A/D转换所得的数字值进行相应数据处理，然后将数据处理得到的数字值转换成n路相应占空比的PWM信号，通过n组PWM信号输出端口发送到信号输出单元阵列；所述信号输出单元阵列由n行信号输出单元组组成，所述信号输出单元组由m个信号输出单元组成，所述信号输出单元包括可控恒流源单元和滤波单元；所述m和n为正整数，m的值受核心处理单元的PWM信号输出端的驱动能力及可控恒流源单元控制端压降的限制；n的值受所述核心处理单元拥有的PWM信号输出端的数量及所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流限制；所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述隔离前端电路的最小正常工作电流之和；所述可控恒流源单元为指定恒流值的、拥有电气隔离控制端并能快速通断的恒流源电路，其受核心处理单元的控制而输出脉冲电流到滤波单元；所述滤波单元为1阶或多阶低通滤波电路，其对可控恒流源单元输出的脉冲电流进行滤波并将滤波后的电流输出到目标设备；所述目标设备指接收承载数据的信号的设备。...

【技术特征摘要】
2018.06.29 CN 20182101664161.一种4~20mA信号隔离电路，其特征在于其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元和信号输出单元阵列；所述4~20mA信号为直流信号；所述窃电分流采样单元负责从源设备的4~20mA信号输出端窃取能量并实现稳压输出，并为整个隔离采集器的隔离前端电路供电，且能够将信号输入端多余的电流进行分流传输；所述窃电分流采样单元还负责对信号输入端的电流进行采样，其采样信号发送到小信号放大单元；所述的隔离前端电路指以隔离器件为分界点，隔离器件到源设备4~20mA信号输出端口之间的所有电路；所述源设备指发送承载数据的信号的设备；所述小信号放大单元负责对输入的小信号的采样电压进行放大，其放大后的信号发送到核心处理单元；所述核心处理单元其负责对小信号放大单元输出的模拟电压信号进行A/D转换，并对A/D转换所得的数字值进行相应数据处理，然后将数据处理得到的数字值转换成n路相应占空比的PWM信号，通过n组PWM信号输出端口发送到信号输出单元阵列；所述信号输出单元阵列由n行信号输出单元组组成，所述信号输出单元组由m个信号输出单元组成，所述信号输出单元包括可控恒流源单元和滤波单元；所述m和n为正整数，m的值受核心处理单元的PWM信号输出端的驱动能力及可控恒流源单元控制端压降的限制；n的值受所述核心处理单元拥有的PWM信号输出端的数量及所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流限制；所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的最大允许工作电流为所述隔离前端电路的最小正常工作电流之和；所述可控恒流源单元为指定恒流值的、拥有电气隔离控制端并能快速通断的恒流源电路，其受核心处理单元的控制而输出脉冲电流到滤波单元；所述滤波单元为1阶或多阶低通滤波电路，其对可控恒流源单元输出的脉冲电流进行滤波并将滤波后的电流输出到目标设备；所述目标设备指接收承载数据的信号的设备。2.根据权利要求1所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述窃电分流采样单元包括1对电流输入端口、1对电压输出端口和1个采样信号输出端口，所述小信号放大单元包括1对电压输入端口、1个采样信号输入端口和1个放大信号输出端口，所述核心处理单元包括1对电压输入端口、1个模拟信号输入端口和n组PWM信号输出端口，所述可控恒流源单元包括1组控制端口、1个电源输入端口和1个电流输出端口，所述滤波单元包括1对输入输出端口和1个公共端口；所述窃电分流采样单元的电流输入端口连接到源设备的4~20mA信号输出端口，电压输出端口连接到所述小信号放大单元和核心处理单元的电压输入端口，采样信号输出端口连接到小信号放大单元的采样信号输入端口；所述小信号放大单元的放大信号输出端口连接到所述核心处理单元的模拟信号输入端口；所述核心处理单元的N组PWM信号输出端口与N组信号输出单元组的控制端分别一一对应连接；所述可控恒流源单元的电源输入端口连接到目标设备的电源正极输出端，电流输出端口连接到滤波单元的一个输入输出端口；所述滤波单元的另一个输入输出端口连接目标设备的电流输入端口，公共端连接到目标设备的电源正极输出端；所述目标设备指接收承载数据的信号的设备；所述信号输出单元组的控制端为同一个信号输出单元组中的可控恒流源单元的控制端通过级联或者并联的方式组成的总控制端。3.根据权利要求2所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述4~20mA信号隔离电路的隔离前端电路的正常工作电压应不大于所对接源设备的信号输出端在接入最大负载时的输出电压，最大承受电压应不大于所对接源设备的信号输出端的开路电压，最大允许工作电流应不大于所对接源设备的信号输出端所输出的代表有效数据的最小电流，最大承受电流应不小于所对接源设备的信号输出端所输出的最大有效电流。4.根据权利要求3所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述核心处理单元应具有AD采样功能、PWM输出功能、温度检测功能及参数存储功能，且必须包含一片微处理器芯片。5.根据权利要求1-4任意一项所述的4~20mA信号隔离电路，其特征在于所述可控恒流源单元由并联稳压源U1a、光耦U2a、N-JFET管Q1a~Q3a、N-MOS管Q4a、电阻R1a~R3a和电容C1a组成；对外连接端口包括：电源输入端口DYIN、电流输出端口DLOUT和1对控制端口PWMIN+与PWMIN-；所述光耦U2a的1脚和4脚相连后经所述电阻R2a和电容C1a的并联电路接控制正端口PWMIN+；所述光耦U2a的2脚与3脚相连后连接到控制负端口PWMIN-，5脚连接到所述并联稳压源U1a的阳极、N-JFET管Q3a的控制极和电流输出端口DLOUT，6脚连接到到N-JFET管Q3a的源极，7脚连接到所述并联稳压源U1a的阴极、N-JFET管Q2a的控制极和N-MOS管Q4a的控制极，8脚连接到N-JFET管Q1a的控制极和N-JFET管Q2a的源极；所述N-JFET管Q1a的漏极接外部电源输入端口DYIN，源极接N-JFET管Q2a的漏极；所述并联稳压源U1a的参考极接N-MOS管Q4a的源极；所述N-MOS管Q4a的漏极接N-JFET管Q1a的漏极；所述电阻R1a并联于所述并联稳压源U1a的参考极和阳极两端；电阻R3a并联于所述并联稳压源U1a的阴极和阳极两端；所述并联稳压源U1a的型号为AZ432；所述N-JFET管Q1a~Q3a的型号为2SK508；所述光耦U2a采用型号为TLP281-2的普通双路光耦。6.一种4~20mA信号多功能隔离变送器，其特征在于其包括窃电分流采样单元、小信号放大单元、多功能核心处理单元、数字信号输出单元和1组信号输出单元；所述窃电分流采样单元负责从源设备的4~20mA信号输出端窃取能量并实现稳压输出，并为整个隔离采集器的隔离前端电路供电，且能够将信号输入端多余的电流进行分流传...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明，
申请(专利权)人：赵明，
类型：新型
国别省市：河北,13