一種模擬量輸出電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種模擬量輸出電路，PWM信號(hào)發(fā)生模塊依次連接電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊、二階RC濾波模塊、電壓跟隨電路模塊和輸出防護(hù)電路模塊，PWM信號(hào)發(fā)生模塊用于產(chǎn)生PWM信號(hào)，電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊對(duì)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電平與電氣特性的內(nèi)外隔離，二階RC濾波模塊對(duì)隔離后的PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，電壓跟隨電路模塊減小濾波后的PWM信號(hào)的輸出阻抗，輸出防護(hù)電路模塊避免輸出的PWM信號(hào)受到外部EMC干擾。本實(shí)用新型采用光耦隔離實(shí)現(xiàn)接口和內(nèi)部電路的隔離，對(duì)接口增加EMC防雷防浪涌設(shè)計(jì)，通過(guò)二階RC濾波電路濾波，控制方式簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，負(fù)載線性穩(wěn)定度及溫度穩(wěn)定度好，電路抗干擾能力好，輸出精度滿(mǎn)足絕大部分場(chǎng)合需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種模擬量輸出電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電氣控制自動(dòng)化【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種模擬量輸出電路。

【背景技術(shù)】
[0002]目前數(shù)字處理器廣泛應(yīng)用的場(chǎng)合中，要輸出可調(diào)的高精度高可靠的模擬量，通常采用處理器自帶的DAC轉(zhuǎn)換器或?qū)Ｓ玫腄AC芯片。對(duì)于處理器自帶的DAC通常通道數(shù)量比較少，需要多路模擬量輸出時(shí)往往無(wú)法滿(mǎn)足要求，另外如果要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外的隔離，需要增加隔離運(yùn)放，成本會(huì)很昂貴，且體積也比較大。對(duì)于外加專(zhuān)用的DAC芯片，需要增加處理器專(zhuān)用的連接口，如串行總線I2C、SPI或并行總線。當(dāng)輸出信號(hào)的精度較高時(shí)，D/A芯片的位數(shù)也將隨之增加,成本價(jià)格往往會(huì)成倍增加,如果在數(shù)字端隔離,根據(jù)接口的選擇,每個(gè)接口線都需要隔離，造成元器件數(shù)量大批增加，使體積和造價(jià)隨之升高。
[0003]如果采用PWM波形控制輸出模擬量，只要單個(gè)1輸出信號(hào)，通過(guò)光耦隔離，少量元器件調(diào)制后就可以得到高精度高可靠的模擬量輸出，成本往往會(huì)低很多。
[0004]目前ZL201420074154專(zhuān)利已實(shí)現(xiàn)了通過(guò)PWM脈寬控制實(shí)現(xiàn)模擬量的輸出，該方案通過(guò)數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)PWM控制，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)所需電平轉(zhuǎn)換，并通過(guò)一階RC濾波電路實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)運(yùn)放做電壓跟隨器輸出模擬量。但上述專(zhuān)利電路未實(shí)現(xiàn)輸出接口與內(nèi)部隔離，未實(shí)現(xiàn)接口防護(hù)，當(dāng)外部接口受到干擾時(shí)，極易干擾內(nèi)部數(shù)據(jù)處理及損壞器件，同時(shí)，該電路僅使用簡(jiǎn)單的一階RC濾波，RC濾波電路會(huì)受到PWM波形干擾的影響，且基準(zhǔn)電壓精度不高，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，紋波會(huì)比較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種模擬量輸出電路，采用光耦隔離實(shí)現(xiàn)接口和內(nèi)部電路的隔離，并對(duì)接口增加EMC防雷防浪涌設(shè)計(jì)，增加在惡劣環(huán)境中的可靠性，另外通過(guò)二階RC濾波電路實(shí)現(xiàn)，控制方式簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，負(fù)載線性穩(wěn)定度及溫度穩(wěn)定度好，電路抗干擾能力好，輸出精度滿(mǎn)足絕大部分應(yīng)用場(chǎng)合需求。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]—種模擬量輸出電路，包括PWM信號(hào)發(fā)生模塊、電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊、二階RC濾波模塊、電壓跟隨電路模塊和輸出防護(hù)電路模塊；所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊依次連接所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊、所述二階RC濾波模塊、所述電壓跟隨電路模塊和所述輸出防護(hù)電路模塊，所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊用于產(chǎn)生PWM信號(hào)，所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊對(duì)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電平與電氣特性的內(nèi)外隔離，所述二階RC濾波模塊對(duì)隔離后的PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，所述電壓跟隨電路模塊減小濾波后的PWM信號(hào)的輸出阻抗，所述輸出防護(hù)電路模塊避免輸出的PWM信號(hào)受到外部EMC干擾。
[0008]進(jìn)一步的，所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊包括用于產(chǎn)生PWM信號(hào)的定時(shí)器，所述定時(shí)器的位數(shù)為16位寬，所述定時(shí)器包括第一寄存器和第二寄存器，所述第一寄存器配置PWM脈沖的周期T，T周期為100Hz，所述第二寄存器配置PWM波形高電平的時(shí)間τ。
[0009]進(jìn)一步的，所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊包括第一電阻、第二電阻、隔離光耦、第一限流電阻、第二限流電阻、PMOS管、NMOS管、第七電阻和穩(wěn)壓二極管；所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊連接所述第一電阻的第一端，所述第一電阻的第二端連接所述隔離光耦的第一輸入端，所述隔離光耦的第二輸入端接GND1，所述隔離光耦的第一輸出端連接所述第二電阻的第一端，所述第二電阻的第二端連接電源VCC2，所述隔離光耦的第二輸出端連接所述第七電阻的第一端，所述第一限流電阻的第一端同時(shí)連接所述第七電阻的第一端和所述第二限流電阻的第二端，所述第一限流電阻的第二端連接所述PMOS管的第一端，所述NMOS管的第一端同時(shí)連接所述第二限流電阻的第一端和所述第七電阻的第二端，所述NMOS管的第二端連接所述PMOS管的第一端，所述穩(wěn)壓二極管的第一端接地GND2，所述穩(wěn)壓二極管的第二端連接所述PMOS管的第二端，所述隔離光耦為高速光耦，所述第一限流電阻取值為500 Ω-1ΚΩ,所述穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值為接口輸出電平所需要的最大值。
[0010]進(jìn)一步的，所述二階RC濾波模塊包括第三電阻、第四電阻、第五電阻、第一電容、第二電容；所述第三電阻的第一端連接所述PMOS管的第二端，所述第三電阻的第二端連接電源VCC2，所述第四電阻的第一端連接所述PMOS管的第一端，所述第四電阻的第二端同時(shí)連接所述第五電阻的第一端和所述第一電容的第一端，所述第五電阻的第二端連接所述第二電容的第一端，所述第一電容的第二端同時(shí)連接所述第七電阻的第二端和所述第二電容的第二端，所述二階RC濾波模塊中RC的時(shí)間常數(shù)取RC ^ 2T，其中T為PWM波形的周期。
[0011]進(jìn)一步的，所述電壓跟隨電路模塊包括運(yùn)算放大器；所述第五電阻的第二端連接所述運(yùn)算放大器的正向輸入端。
[0012]進(jìn)一步的，所述輸出防護(hù)電路模塊包括氣體放電管、功率電阻和TVS管；所述功率電阻的第一端同時(shí)連接所述運(yùn)算放大器的輸出端和所述TVS管的第一端，所述TVS管的第二端連接所述氣體放電管的第一端，所述氣體放電管的第一端連接地，所述功率電阻的第二端同時(shí)連接所述氣體放電管的第二端和模擬量輸出口。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0014]1、本實(shí)用新型采用光耦隔離實(shí)現(xiàn)接口和內(nèi)部電路的隔離，并對(duì)接口增加EMC防雷防浪涌設(shè)計(jì)，增加在惡劣環(huán)境中的可靠性，另外通過(guò)二階RC濾波電路實(shí)現(xiàn)，采用高精度的電源穩(wěn)壓芯片作為ADC參考電壓，隔離使得處理器的PWM不會(huì)影響到模擬量的波動(dòng)，增加了輸出模擬量的穩(wěn)定性；
[0015]2、本實(shí)用新型采用PWM控制實(shí)現(xiàn)模擬量的輸出，控制方式簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，負(fù)載線性穩(wěn)定度及溫度穩(wěn)定度好，電路抗干擾能力好，輸出精度滿(mǎn)足絕大部分應(yīng)用場(chǎng)合需求。
[0016]上述說(shuō)明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本實(shí)用新型的電路圖。
[0019]圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0020]UPWM信號(hào)發(fā)生模塊，2、電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊，3、二階RC濾波模塊，4、電壓跟隨電路模塊，5、輸出防護(hù)電路模塊，R1、第一電阻，R2、第二電阻，R3、第三電阻，R4、第四電阻，R5、第五電阻，R6、功率電阻，R7、第七電阻，U1、隔離光耦，U2、運(yùn)算放大器，Cl、第一電容，C2、第二電容，Q1、PM0S管，Q2、NM0S管，D1、第一限流電阻，D2、第二限流電阻，D3、穩(wěn)壓二極管，D4、TVS管，D5、氣體放電管。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。
[0022]參見(jiàn)圖1所示，一種模擬量輸出電路，包括PWM信號(hào)發(fā)生模塊1、電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊2、二階RC濾波模塊3、電壓跟隨電路模塊4和輸出防護(hù)電路模塊5 ;所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊I依次連接所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊2、所述二階RC濾波模塊3、所述電壓跟隨電路模塊4和所述輸出防護(hù)電路模塊5,所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊I用于產(chǎn)生PWM信號(hào)，所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊2對(duì)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電平與電氣特性的內(nèi)外隔離，所述二階RC濾波模塊3對(duì)隔離后的PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，所述電壓跟隨電路模塊4減小濾波后的PWM信號(hào)的輸出阻抗，所述輸出防護(hù)電路模塊5避免輸出的PWM信號(hào)受到外部EMC干擾。
[0023]進(jìn)一步的，所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊I包括用于產(chǎn)生PWM信號(hào)的定時(shí)器，所述定時(shí)器的位數(shù)為16位寬，所述定時(shí)器包括第一寄存器和第二寄存器，所述第一寄存器配置PWM脈沖的周期T，T周期為100Hz，所述第二寄存器配置PWM波形高電平的時(shí)間τ。
[0024]進(jìn)一步的，參見(jiàn)圖2所示，所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊2包括第一電阻R1、第二電阻R2、隔離光耦U1、第一限流電阻D1、第二限流電阻D2、PMOS管Ql、NMOS管Q2、第七電阻R7和穩(wěn)壓二極管D3 ;所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊I連接所述第一電阻Rl的第一端，所述第一電阻Rl的第二端連接所述隔離光耦Ul的第一輸入端，所述隔離光耦Ul的第二輸入端接GND1，所述隔離光耦Ul的第一輸出端連接所述第二電阻R2的第一端，所述第二電阻R2的第二端連接電源VCC2，所述隔離光耦Ul的第二輸出端連接所述第七電阻R7的第一端，所述第一限流電阻Dl的第一端同時(shí)連接所述第七電阻R7的第一端和所述第二限流電阻D2的第二端，所述第一限流電阻Dl的第二端連接所述PMOS管Ql的第一端，所述NMOS管Q2的第一端同時(shí)連接所述第二限流電阻D2的第一端和所述第七電阻R7的第二端，所述NMOS管Q2的第二端連接所述PMOS管Ql的第一端，所述穩(wěn)壓二極管D3的第一端接地GND2，所述穩(wěn)壓二極管D3的第二端連接所述PMOS管Ql的第二端。
[0025]穩(wěn)壓值為接口輸出電平所需要的最大值。所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊I輸出的PWM信號(hào)電平通常為3.3V或5V，無(wú)法滿(mǎn)足接口所需要的電平，通過(guò)接口輸出到所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊2，所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊2采用高速的隔離光耦，實(shí)現(xiàn)電平與電氣特性的內(nèi)外隔離，隔離后的高電平的電壓為接口電壓，具體根據(jù)不同的應(yīng)用確定。所述第一限流電阻Dl取值可以在500歐姆到IK歐姆之間，所述隔離光耦Ul為了使得光耦輸出由低到高和由高到低的延時(shí)差盡量小，采用高速光耦。所述穩(wěn)壓二極管D3穩(wěn)壓值為接口輸出電平所需要的最大值，如模擬量接口輸出需要為(T10V，則穩(wěn)壓管采用1V高精度穩(wěn)壓管，該穩(wěn)壓管作為模擬量輸出的基準(zhǔn)電壓，因此精度要求較高。當(dāng)PWM側(cè)輸入高電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，所述NMOS管Q2導(dǎo)通，所述PMOS管Ql斷開(kāi)，圖中A點(diǎn)電平為低；當(dāng)PWM側(cè)輸入低電平時(shí)，光耦截止，所述NMOS管Q2截止，所述PMOS管Ql斷開(kāi)，圖中A點(diǎn)電平為高，即為穩(wěn)壓管的電壓。
[0026]進(jìn)一步的，所述二階RC濾波模塊3包括第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第一電容Cl、第二電容C2 ;所述第三電阻R3的第一端連接所述PMOS管Ql的第二端，所述第三電阻R3的第二端連接電源VCC2，所述第四電阻R4的第一端連接所述PMOS管Ql的第一端，所述第四電阻R4的第二端同時(shí)連接所述第五電阻R5的第一端和所述第一電容Cl的第一端，所述第五電阻R5的第二端連接所述第二電容C2的第一端，所述第一電容Cl的第二端同時(shí)連接所述第七電阻R7的第二端和所述第二電容C2的第二端，所述二階RC濾波模塊3中RC的時(shí)間常數(shù)取RC > 2T，其中T為PWM波形的周期，采用所述二階RC濾波模塊3不僅提高了濾波電路帶載能力，而且使線性度得到了提高。
[0027]進(jìn)一步的，所述電壓跟隨電路模塊4包括運(yùn)算放大器U2 ;所述第五電阻R5的第二端連接所述運(yùn)算放大器U2的正向輸入端。所述電壓跟隨電路模塊4用于減小該電路模擬量輸出的輸出阻抗，提高電路的帶載能力及線性穩(wěn)定度。
[0028]進(jìn)一步的，所述輸出防護(hù)電路模塊5包括氣體放電管D5、功率電阻R6和TVS管D4 ；所述功率電阻R6的第一端同時(shí)連接所述運(yùn)算放大器U2的輸出端和所述TVS管D4的第一端，所述TVS管D4的第二端連接所述氣體放電管D5的第一端，所述氣體放電管D5的第一端連接地，所述功率電阻R6的第二端同時(shí)連接所述氣體放電管D5的第二端和模擬量輸出口。由于所述運(yùn)算放大器U2，所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊I等器件很容易受到外部EMC干擾，因此增加接口防護(hù)設(shè)計(jì)是必要的，當(dāng)外部有大的浪涌電壓輸入時(shí)，所述氣體放電管D5可以迅速將能量釋放到大地，同時(shí)所述功率電阻R6和所述TVS管D4可以防止殘余能量進(jìn)入內(nèi)部。
[0029]以上所述僅為實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬量輸出電路,其特征在于:包括PWM信號(hào)發(fā)生模塊(I)、電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊(2)、二階RC濾波模塊(3)、電壓跟隨電路模塊(4)和輸出防護(hù)電路模塊(5);所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊(I)依次連接所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊(2)、所述二階RC濾波模塊(3)、所述電壓跟隨電路模塊(4)和所述輸出防護(hù)電路模塊(5)，所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊(I)用于產(chǎn)生PWM信號(hào)，所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊(2)對(duì)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電平與電氣特性的內(nèi)外隔離，所述二階RC濾波模塊(3)對(duì)隔離后的PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，所述電壓跟隨電路模塊(4)減小濾波后的PWM信號(hào)的輸出阻抗，所述輸出防護(hù)電路模塊(5)避免輸出的PWM信號(hào)受到外部EMC干擾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬量輸出電路，其特征在于:所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊(I)包括用于產(chǎn)生PWM信號(hào)的定時(shí)器，所述定時(shí)器的位數(shù)為16位寬,所述定時(shí)器包括第一寄存器和第二寄存器，所述第一寄存器配置PWM脈沖的周期T，T周期為100Hz，所述第二寄存器配置PWM波形高電平的時(shí)間τ 0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬量輸出電路，其特征在于:所述電平隔離及轉(zhuǎn)換模塊(2)包括第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、隔離光耦(U1)、第一限流電阻(D1)、第二限流電阻(D2 )、PMOS管(Ql)、NMOS管(Q2 )、第七電阻(R7 )和穩(wěn)壓二極管(D3 );所述PWM信號(hào)發(fā)生模塊(I)連接所述第一電阻(Rl)的第一端，所述第一電阻(Rl)的第二端連接所述隔離光耦(Ul)的第一輸入端，所述隔離光耦(Ul)的第二輸入端接GNDl，所述隔離光耦(Ul)的第一輸出端連接所述第二電阻(R2)的第一端，所述第二電阻(R2)的第二端連接電源VCC2，所述隔離光耦(Ul)的第二輸出端連接所述第七電阻(R7)的第一端，所述第一限流電阻(Dl)的第一端同時(shí)連接所述第七電阻(R7)的第一端和所述第二限流電阻(D2)的第二端，所述第一限流電阻(Dl)的第二端連接所述PMOS管(Ql)的第一端，所述NMOS管(Q2)的第一端同時(shí)連接所述第二限流電阻(D2)的第一端和所述第七電阻(R7)的第二端，所述NMOS管(Q2)的第二端連接所述PMOS管(Ql)的第一端，所述穩(wěn)壓二極管(D3)的第一端接地GND2，所述穩(wěn)壓二極管(D3)的第二端連接所述PMOS管(Ql)的第二端，所述隔離光耦(Ul)為高速光耦，所述第一限流電阻(Dl)取值為500 Ω-1K Ω，所述穩(wěn)壓二極管(D3)穩(wěn)壓值為接口輸出電平所需要的最大值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬量輸出電路，其特征在于:所述二階RC濾波模塊(3)包括第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第一電容(Cl)、第二電容(C2);所述第三電阻(R3)的第一端連接所述PMOS管(Ql)的第二端，所述第三電阻(R3)的第二端連接電源VCC2，所述第四電阻(R4)的第一端連接所述PMOS管(Ql)的第一端，所述第四電阻(R4)的第二端同時(shí)連接所述第五電阻(R5)的第一端和所述第一電容(Cl)的第一端，所述第五電阻(R5)的第二端連接所述第二電容(C2)的第一端，所述第一電容(Cl)的第二端同時(shí)連接所述第七電阻(R7)的第二端和所述第二電容(C2)的第二端，所述二階RC濾波模塊(3)中RC的時(shí)間常數(shù)取RC彡2Τ，其中T為PWM波形的周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬量輸出電路，其特征在于:所述電壓跟隨電路模塊(4)包括運(yùn)算放大器(U2);所述第五電阻(R5)的第二端連接所述運(yùn)算放大器(U2)的正向輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬量輸出電路,其特征在于:所述輸出防護(hù)電路模塊(5)包括氣體放電管(D5)、功率電阻(R6)和TVS管(D4);所述功率電阻(R6)的第一端同時(shí)連接所述運(yùn)算放大器(U2)的輸出端和所述TVS管(D4)的第一端，所述TVS管(D4)的第二端連接所述氣體放電管(D5)的第一端，所述氣體放電管(D5)的第一端連接地，所述功率電阻(R6)的第二端同時(shí)連接所述氣體放電管(D5)的第二端和模擬量輸出口。
【文檔編號(hào)】H03M3/00GK204203687SQ201420623147
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月26日
【發(fā)明者】丁偉森 申請(qǐng)人:蘇州英納索智能科技有限公司