工业智能仪表标准电流信号输出电路设计

　　0 引言

　　随着电子科学技术的发展，电流信号被广泛应用于工业智能仪表信号的输出。电流输出信号可以避免由于导线电阻所造成的测量误差，具有较高的抗干扰能力，可以进行 2 线式传输[1-2]。因此大多数工业智能仪表的设计中通常采用电流信号进行传输。一般而言可以通过使用如 XTR 系列专用电流变送器，或采用放大器组成恒流源来实现标准电流信号的输出。但是专用集成芯片价格昂贵，采用放大器构成恒流源缺点是对元件的精度要求高，校准不方便[2]。为此，本文设计了一种由 PWM 电压信号控制的电流输出电路。

        1 PWM电压信号产生原理

　　输入电压可调是实现 V/I 转换的前提条件，通常情况下会使用 D/A 转换器实现，但这种方法成本较高，电路结构复杂。而一般的工业智能仪表的微处理器都能输出 PWM 电压信号，如果能够用 PWM 产生可调电压信号供 V/I 转换电路使用，就可以大大简化设计，降低成本[3-4]。图 1 为典型 PWM 信号波形，其数学表达式如式(1)所示。

由于f(t) 关于 Y 轴对称，在整个定义域内是偶函数，所以bn=0 。由式(3)可以看出 PWM 信号是与占空比成正比的直流分量。因此只需要滤除式(2)中含有cos kwt 的谐波分量就可以得到与 PWM 占空比成正比的电压信号。为此可取 k=1，按滤除频率为

　　的高次谐波分量来设计低通滤波器。由于微处理器输出的 PWM 占空比可以在很大范围内变化，所以在不改变硬件电路的前提下，就可以提高电压控制的分辨率。

　　2 标准电流信号输出电路设计

　　图 2 为标准电流信号输出电路。在该电路中为防止数字电路和模拟电路相互干扰，使用了光耦 进行隔离。由微处理器产生的 PWM 信号通过光耦 U1 接入，并且由R2、R3和 C　　1构成无源低通滤波器，实现滤除 PWM 信号中的高次谐波。为了能够输出恒定的电流信号，运算放大器 U2A 按电流负反馈形式连接，U2A 输出端驱动三极管产生恒流[6]。

　　调节 PWM 占空比可以使运算放大器 U2A 同相端电压 VINA+ 在 Vcc2~Vcc3 之间变化。利用三极管集电极和发射极电流近似相等的特性，控制三极管基极电压即可控制负载RL 中流过的电流大小，使用双绞线可远传数百米。输出电流大小如式(4)所示。

3 电源电路设计

　　图 3 为电源电路。为保证整个电路工作的稳定性和精度，电源电路采用单电源供电，恒流电路采用浮地供电方式，浮地电压为 Vcc2，由齐纳二极管Z1 稳压产生。由 U3与 NPN 功率管Q2 组成串联式仪表精密稳压电路实现 Vcc3电源输出[7-8]。 即 TL431 是该电源的核心元件，它是美国德洲仪器公司 (Texas Instrument) 开发的一个有良好热稳定性能的三端可调精密电压基准集成电路。其中C3 的作用作是滤除噪声干扰 , 不同的场合取值差异较大，一般可取 0.1μF。调节 R7和 R8的电阻比值即可改变 Vcc3的电压。