專利名稱：工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工控技術(shù)中的信號(hào)隔離、變換傳送的工業(yè)控制信號(hào)的 隔離轉(zhuǎn)換裝置，屬于工控技術(shù)中的信號(hào)傳輸技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)中，經(jīng)常使用單片機(jī)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的操作流程執(zhí)行自動(dòng)控 制。在單片機(jī)控制的大功率電機(jī)的逆變、變頻，以及發(fā)電、輸配電和化工、礦 山、鋼鐵等其它許多行業(yè)的生產(chǎn)場(chǎng)合中，都要使用傳感器將單片機(jī)不能直接測(cè) 量的各種物理量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別、處理的模擬量電信號(hào)，如電流傳感器、 溫度傳感器、流量傳感器等等。由于現(xiàn)在的傳感器大多為電壓輸出型，就是將
測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0 ~ 5V的電壓輸出，再通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 后，提供給單片機(jī)讀取和控制。但是，當(dāng)信號(hào)需要傳輸較遠(yuǎn)的距離，或者在使 用環(huán)境中，電磁干擾或電網(wǎng)干擾較大的場(chǎng)合，電壓輸出型傳感器的應(yīng)用受到了 很大的局限，暴露了其抗干擾性能差、輸出的電壓信號(hào)穩(wěn)定性差、線性差、以 及傳輸距離短等許多缺點(diǎn)，這些缺陷都會(huì)使單片機(jī)產(chǎn)生誤判斷，從而使得工控 過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備。
近年來(lái)，電流輸出型傳感器以其具有較高的抗干擾能力得到了廣泛應(yīng)用。 電流輸出型傳感器是將各種物理量直接轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流型工業(yè)控制信號(hào)，其 輸出的工業(yè)控制信號(hào)有兩種標(biāo)準(zhǔn)0-20mA和4-20mA。例如將溫度信號(hào)隔離 轉(zhuǎn)換成4-20mA信號(hào)，將直流lA電流信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換成0-20mA信號(hào)。而且能夠 保證工業(yè)控制信號(hào)在整個(gè)隔離轉(zhuǎn)換過(guò)程中的輸出穩(wěn)定，具有很好的抗干擾能力 和隔離性能，為整個(gè)控制系統(tǒng)的采樣提供精確數(shù)據(jù)，保證整個(gè)工控系統(tǒng)的穩(wěn)定。
總之，目前的工業(yè)控制信號(hào)在傳輸過(guò)程中存在的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 體積較大、安裝困難，應(yīng)用于交流電網(wǎng)和電磁輻射場(chǎng)合下的抗干擾能力差，輸出線性度差、容易產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)偏移現(xiàn)象，在工業(yè)場(chǎng)合中應(yīng)用時(shí)防震、防塵性 能差，容易損壞。因此，現(xiàn)在急需盡快研發(fā)一種能夠很好地解決上述問(wèn)題的工 業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，該課題也自然地成為業(yè)內(nèi)技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)新穎的工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換 裝置，該裝置具有體積小、安裝方便、防震、防塵、輸出線性的精度高、信號(hào) 性能穩(wěn)定、抗干擾能力好等特點(diǎn)。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，該裝置為金屬外殼注塑封裝的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其抗電磁干擾、防塵、抗震的性能； 其特征在于所述裝置的控制電路包括順序逐級(jí)連接的電壓V/頻率F轉(zhuǎn)換輸 入電路、光電耦合隔離電路、頻率F/電壓V轉(zhuǎn)換電路、以及電壓V/電流I轉(zhuǎn)換專lr出電路。所述光電耦合隔離電路中的光電耦合器是選用隔離和耐壓性能好、輸出線 性度高、傳輸速度快的光耦器件。所述光電耦合隔離電路中的光電耦合器的型號(hào)為6N135、 6N136、 6N137、 或6N138。所述裝置設(shè)有電流信號(hào)輸入端和電壓信號(hào)輸入端，其中電流信號(hào)輸入端是 通過(guò)在電壓V/頻率F轉(zhuǎn)換輸入電路的輸入端設(shè)置一個(gè)電阻，以便在該電阻上對(duì) 輸入的電流信號(hào)進(jìn)行電壓采樣而將其轉(zhuǎn)換為電壓輸入信號(hào)。所述電壓V/電流I轉(zhuǎn)換輸出電路中設(shè)有一個(gè)偏置電阻，用于控制其輸出的 電流信號(hào)有兩種0-20mA或4-20mA。率F/電壓V轉(zhuǎn)換電路中的F/V轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)是LM331,電壓V/電流I轉(zhuǎn)換 輸出電路中的V /1轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)是AD694。所述頻率F/電壓V轉(zhuǎn)換電路中的F/V轉(zhuǎn)換芯片外接有電位器，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 換前后的信號(hào)精準(zhǔn)度。眾所周知，對(duì)于既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分的工業(yè)生產(chǎn)過(guò) 程的應(yīng)用測(cè)控系統(tǒng)，采用光耦作為隔離器件能夠很好地實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離， 實(shí)現(xiàn)抵抗交流電網(wǎng)干擾和電磁輻射干擾的目的。本發(fā)明工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn) 換裝置也是以光信號(hào)為媒介、采用光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的隔離、耦合與傳遞，并
使其輸入與輸出兩端實(shí)現(xiàn)電氣上的完全隔離；而且，本發(fā)明裝置選用高性能的 光耦，使得裝置除了抗干擾性能強(qiáng)以外，還具有信號(hào)傳輸速度快、線形精度好、 隔離耐壓高的優(yōu)異綜合性能。
由于光電耦合器受到器件結(jié)構(gòu)和性能的局限，存在有非線性的工作區(qū)域， 其直接用于隔離傳輸模擬量電信號(hào)時(shí)精度較差；而且在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)中傳輸時(shí)， 模擬量電信號(hào)很容易受到電磁輻射干擾和交流電網(wǎng)干擾。本發(fā)明裝置的主要?jiǎng)?chuàng) 新之處是采用電壓頻率轉(zhuǎn)換VFC方式，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器輸出的;f莫擬量電信號(hào) (例如電壓或電流信號(hào))采用電壓頻率轉(zhuǎn)換器芯片將其轉(zhuǎn)換成以脈沖序列形式 的頻率信號(hào)，然后經(jīng)由光耦隔離輸出信號(hào)。再在主機(jī)側(cè)，通過(guò)一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn) 換電路將脈沖序列的頻率信號(hào)還原成模擬電信號(hào)。這樣，由于光耦隔離的是開(kāi) 關(guān)形式的數(shù)字信號(hào)，不僅在隔離傳輸過(guò)程中，具有很好的抗電磁輻射干擾和交 流電網(wǎng)干擾的性能，而且，還可以很好地消除光耦器件的非線性影響。這種簡(jiǎn) 單易行、切實(shí)有效的隔離傳輸脈沖序列電信號(hào)的方式，使本發(fā)明裝置具有電路 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本較低、線形精度高、體積小巧和使用方便的特點(diǎn)。
采用光耦隔離數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，光電耦合器的傳輸特性，即傳輸 速率或響應(yīng)速度，往往成為制約系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率的決定因素。在許多總 線架構(gòu)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，為了防止各模塊之間的相互干擾，同時(shí)不降低傳輸 波特率，通常采用高速、線性光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制模塊之間的相互隔離。目前， 常用的高速、線性光耦的產(chǎn)品信號(hào)有6N135、 6N136、 6N137、 6N138。雖然， 目前的高速、線性光耦價(jià)格還比較高，導(dǎo)致系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本提高。但是，隨著 微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，光耦器件的價(jià)格下降，越來(lái)越便宜而物美價(jià)廉將是這 些高性能光耦的發(fā)展趨勢(shì)。
總之，本發(fā)明裝置的技術(shù)效果是很好地解決了現(xiàn)有工業(yè)控制信號(hào)傳輸裝置存在的抗電磁干擾能力差、線性精度差、傳輸速度慢、體積大和安裝復(fù)雜的許 多問(wèn)題。


圖1是本發(fā)明工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置的控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。 圖2是本發(fā)明工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置的控制電路的電原理圖。
圖3是本發(fā)明工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置的控制電路的另一電原理圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作 進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
參見(jiàn)圖l,介紹本發(fā)明工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置的控制電路，包括順 序逐級(jí)連接的電壓V/頻率F轉(zhuǎn)換輸入電路、光電耦合隔離電路、頻率F/電壓V轉(zhuǎn) 換電路、以及電壓V/電流I轉(zhuǎn)換輸出電路。其中，電壓V/頻率F轉(zhuǎn)換輸入電路將 輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，然后進(jìn)行光電耦合隔離，再由后級(jí)的F/V轉(zhuǎn)換電路將 頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再由v/ I轉(zhuǎn)換輸出電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸 出。因?yàn)槭歉骷?jí)電路逐一進(jìn)行信號(hào)傳輸，能夠保證信號(hào)不失真地傳輸，即保證 信號(hào)的一致性，并使輸出信號(hào)的精度和穩(wěn)定性都得到提高。該裝置的控制電路 采用表面貼裝型印制板的模塊化結(jié)構(gòu)，體積小，再用金屬外殼注塑封裝，能夠 增強(qiáng)該裝置的抗電^f茲干擾和電網(wǎng)干擾，防塵，防震的特點(diǎn)。
本發(fā)明裝置的工作原理是輸入信號(hào)在第一級(jí)電路由V/F轉(zhuǎn)換芯片將電壓 信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。第二級(jí)電路利用線性、高速光電耦合器進(jìn)行隔離傳送。 因?yàn)椴捎幂敵鼍€性好、精度高，傳輸速度快，隔離和耐壓參數(shù)高的光電耦合器 (推薦型號(hào)為6N135、 6N136、 6N137、或6N138),能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的平穩(wěn)傳送 和線性一致。第三級(jí)電路再由F/V轉(zhuǎn)換芯片將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，使其 轉(zhuǎn)換的電壓與其頻率成正比。第四級(jí)電路由V/I轉(zhuǎn)換芯片將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 流信號(hào)0-20mA或4-20mA，同時(shí)保持電壓V與輸出電流I的比例關(guān)系一致。參見(jiàn)圖2，介紹本發(fā)明裝置的具體實(shí)施例電路將輸入的電流信號(hào)4-20mA 施加在兩個(gè)輸入端子J2、 J3上，經(jīng)由電阻R1將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。經(jīng) 過(guò)V/F轉(zhuǎn)換芯片U1 (實(shí)施例型號(hào)為AD654)時(shí)，則將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為同電位 的脈沖頻率信號(hào)。再將脈沖頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器0P1(實(shí)施例型號(hào)為6N136) 進(jìn)行隔離、傳輸，.然后，再送至F/V轉(zhuǎn)換芯片U2(實(shí)施例型號(hào)為L(zhǎng)M331),由U2 芯片將脈沖頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為同電位的電壓信號(hào)。該U2芯片轉(zhuǎn)換完畢后，又將電 壓信號(hào)送至V/I轉(zhuǎn)換芯片U3 (實(shí)施例型號(hào)為AD694)。由該U3芯片將電壓信號(hào)進(jìn) 行電路處理后，輸出0-20mA或4-20mA兩種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制信號(hào)。
本發(fā)明裝置也可以直接輸入O-1 OV電壓信號(hào)，其具體實(shí)施例電路參見(jiàn)圖3:
將輸入的電壓信號(hào)0-10V直接施加在V/F轉(zhuǎn)換芯片Ul的兩個(gè)輸入端子J2、 J3 上，經(jīng)過(guò)U1芯片(實(shí)施例型號(hào)為AD654)時(shí)，則將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為同電位的 脈沖頻率信號(hào)。再將脈沖頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器0P1 (實(shí)施例型號(hào)為6N136) 進(jìn)4亍隔離、傳輸，然后，再送至F/V轉(zhuǎn)換芯片U2 (實(shí)施例的型號(hào)為L(zhǎng)M331 ),由 U2芯片將脈沖頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為同電位的電壓信號(hào)。該U2芯片轉(zhuǎn)換完畢后，又將 電壓信號(hào)送至V/I轉(zhuǎn)換芯片U3 (實(shí)施例型號(hào)為AD694)。由該U3芯片將電壓信號(hào) 進(jìn)4亍電路處理后，輸出0-20mA或4-20mA兩種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制信號(hào)。
可以看出，上述圖2和圖3的兩個(gè)電原理圖幾乎完全相同，其區(qū)別只是輸 入端是直接連接在Ul芯片的兩個(gè)端子上，還是將輸入信號(hào)先施加在兩個(gè)輸入 端，再藉由連接該兩端的一個(gè)電阻Rl進(jìn)行電壓采樣而將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 壓信號(hào)。
本發(fā)明裝置在V/I轉(zhuǎn)換輸出電路的芯片U3中設(shè)有一個(gè)偏置電阻R3，用于 控制其輸出的兩種不同電流信號(hào)0-20mA或4-20mA。在F/V轉(zhuǎn)換電路中的F/V 轉(zhuǎn)換芯片U2上設(shè)置有電位器RVL，用于調(diào)節(jié)該芯片轉(zhuǎn)換前后的信號(hào)誤差或精 準(zhǔn)度。
本發(fā)明的控制電路是安裝在表面貼裝型的印刷電路板PCB上，再將PCB電 路板放置在金屬外殼內(nèi)，引出引線裝置后，進(jìn)行模塊的注塑封裝和SMD表面貼 裝工藝，完成該工業(yè)控制信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊裝置的整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制信號(hào)的隔離傳輸，輸入的工業(yè)控制信號(hào)可以
是下述兩種信號(hào)中的任意一種電流信號(hào)4-20mA，電壓信號(hào)0-10V,均可實(shí) 現(xiàn)隔離輸出。其隔離耐壓達(dá)到3000VDC,能夠很好地實(shí)現(xiàn)抵抗電磁干擾和對(duì)信 號(hào)進(jìn)行線性、高速傳輸?shù)男阅堋?br> 本發(fā)明裝置已經(jīng)試制出若干樣品，并進(jìn)行了實(shí)施試驗(yàn)，實(shí)施例樣品的輸出 管腳有兩種電流輸出信號(hào)的方式0-20mA或4-20mA。
實(shí)施例樣品的精度如下將接入的電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為同電位的頻率信 號(hào)的轉(zhuǎn)換電路芯片能夠減少電路損耗，保證傳送的線性精度。該低損耗芯片U1 的工作速率為500KHz、轉(zhuǎn)換的線性精度為0.02%。采用高速光耦進(jìn)行光電傳輸 隔離，避免了干擾的影響和信號(hào)的傳送精度偏差，其中光電耦合器0P1的傳輸 速度為lMBit/s、共模抑制比為10KV/us,能夠保證隔離傳輸?shù)木€性精度。F/V轉(zhuǎn) 換芯片U2的線性精度為0.01。/。，使得隔離后的信號(hào)誤差減少。V/I轉(zhuǎn)換芯片U3 的輸出電流誤差為0.002%，能保證整個(gè)裝置控制電路的輸出精度和整體線性度 的誤差很小。
權(quán)利要求
1. 一種工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，該裝置為金屬外殼注塑封裝的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其抗電磁干擾、防塵、抗震的性能；其特征在于所述裝置的控制電路包括順序逐級(jí)連接的電壓V/頻率F轉(zhuǎn)換輸入電路、光電耦合的頻率隔離電路、頻率F/電壓V轉(zhuǎn)換電路、以及電壓V/電流I轉(zhuǎn)換輸出電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所 述光電耦合隔離電路中的光電耦合器是選用隔離和耐壓性能好、輸出線性度高、 傳輸速度快的光耦器件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于 所述光電耦合隔離電路中的光電耦合器的型號(hào)為6N135、 6N136、 6N137、或 6N138。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所 述裝置設(shè)有電流信號(hào)輸入端和電壓信號(hào)輸入端，其中電流信號(hào)輸入端是通過(guò)在 電壓V/頻率F轉(zhuǎn)換輸入電路的輸入端設(shè)置一個(gè)電阻，以便在該電阻上對(duì)輸入的 電流信號(hào)進(jìn)行電壓采樣而將其轉(zhuǎn)換為電壓輸入信號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所 述電壓V/電流I轉(zhuǎn)換輸出電路中設(shè)有一個(gè)偏置電阻，用于控制其輸出的電流信 號(hào)有兩種0-20mA或4-20mA。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所壓V轉(zhuǎn)換電路中的F/V轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)是LM331,電壓V/電流I轉(zhuǎn)換輸出電 路中的V/1轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)是AD694。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所 述頻率F/電壓V轉(zhuǎn)換電路中的F/V轉(zhuǎn)換芯片外接有電位器，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換前后 的信號(hào)精準(zhǔn)度。
全文摘要
一種工業(yè)控制信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換裝置，該裝置為金屬外殼注塑封裝的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其抗電磁干擾、防塵、抗震的性能；其控制電路包括順序逐級(jí)連接的電壓V/頻率F轉(zhuǎn)換輸入電路、光電耦合隔離電路、頻率F/電壓V轉(zhuǎn)換電路、以及電壓V/電流I轉(zhuǎn)換輸出電路。其中光電耦合器是選用隔離和耐壓性能高、輸出線性度好、傳輸速度快的光耦器件。本發(fā)明的技術(shù)效果是很好地解決了現(xiàn)有工業(yè)控制信號(hào)傳輸裝置存在的抗電磁干擾能力差、線性精度差、體積大和安裝復(fù)雜的許多問(wèn)題，具有體積小巧、安裝方便、防震、防塵、輸出線性的精度高、信號(hào)性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有很好的推廣應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G08C19/02GK101286264SQ20081011162
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者劉立君 申請(qǐng)人:北京合康億盛科技有限公司