一种模拟量输出控制电路论文和设计-陈兵

全文摘要

本实用新型涉及模拟量输出控制电路技术领域，公开了一种模拟量输出控制电路，包括MCU处理单元，电压\/电流输出电路，电压\/电流切换电路，保护电路和防倒灌电路，所述MCU处理单元与电压\/电流输出电路和电压\/电流切换电路相连，所述电压\/电流输出电路与电压\/电流切换电路相连，所述电压\/电流输出电路上设有防倒灌电路，所述电压\/电流切换电路的输出端设有保护电路。本实用新型电路外围电路少，简单可靠，自带短路，过流，过温自诊断保护功能，可以有效降低产品故障率，可通过软件设置为模拟电压或者模拟电流输出，电路冗余度高，量程可软件设置为0‑11V\/0‑24mA,量程较大。

主设计要求

1.一种模拟量输出控制电路，其特征在于：包括MCU处理单元(1)，电压\/电流输出电路(2)，电压\/电流切换电路(3)，保护电路(4)和防倒灌电路(5)，所述MCU处理单元(1)与电压\/电流输出电路(2)和电压\/电流切换电路(3)相连，所述电压\/电流输出电路(2)与电压\/电流切换电路(3)相连，所述电压\/电流输出电路(2)上设有防倒灌电路(5)，所述电压\/电流切换电路(3)的输出端设有保护电路(4)。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种模拟量输出控制电路，其特征在于：所述电压\/电流输出电路(2)包括集成电路U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9，所述第一电阻R1的第一端与集成电路U1的二十二脚连接，所述第一电阻R1的第二端分别与第二电阻R2的第二端及电压\/电流切换电路(3)连接，所述第二电阻R2的第一端分别与集成电路U1的二十一脚及第六电容C6的第二端连接，所述第二电阻R2的第二端分别与第一电阻R1的第二端及电压\/电流切换电路(3)连接，所述第六电容C6的第一端与集成电路U1的十七脚连接，所述第六电容C6的第二端分别与集成电路U1的二十一脚及第二电阻R2的第一端连接，所述第三电阻R3的第一端与集成电路U1的十九脚连接，所述第三电阻R3的第二端分别与电压\/电流切换电路(3)及第七电容C7的第一端连接，所述第七电容C7的第二端分别与第八电容C8的第二端、第九电容C9的第二端、第五电阻R5的第二端连接并且接地，所述第八电容C8的第一端与集成电路U1的十八脚连接，所述第八电容C8的第二端分别与第九电容C9的第二端、第七电容C7的第二端、第五电阻R5的第二端连接并且接地，所述第九电容C9的第一端分别与集成电路U1的十四脚及十五脚连接，所述第九电容C9的第二端分别与第七电容C7的第二端、第八电容C8的第二端、第五电阻R5的第二端连接并且接地，所述第五电阻R5的第一端与集成电路U1的十三脚连接，所述第五电阻R5的第二端分别与第七电容C7的第二端、第八电容C8的第二端、第九电容C9的第二端连接并且接地，所述第四电阻R4的第一端分别与集成电路U1的七脚及MCU处理单元(1)连接，所述第四电阻R4的第二端接地，所述第六电阻R6的第一端分别与集成电路U1的三脚及MCU处理单元(1)连接，所述第六电阻R6的第二端接+3.3V电源，所述第一电容C1和第二电容C2的第一端分别与集成电路U1的二十四脚及防倒灌电路(5)连接，所述第一电容C1和第二电容C2的第二端接地，所述第三电容C3和第二电容C4的第一端与集成电路U1的一脚连接并且接地，所述第三电容C3和第四电容C4的第二端与集成电路U1的二脚连接，所述集成电路U1的零脚、四脚、五脚、六脚、十一脚、十二脚和二十三脚分别接地，所述集成电路U1的八脚、九脚和十脚为SPI接口分别与MCU处理单元(1)连接，所述第一电容C1,第二电容C2,第三电容C3,第四电容C4，第五电容C5,第七电容C7,第八电容C8和第九电容C9为滤波电容。

3.根据权利要求1所述的一种模拟量输出控制电路，其特征在于：

电压\/电流切换电路(3)包括模拟开关U2和第五电容C5，所述第五电容C5的第一端分别与模拟开关U2的五脚及+3.3V电源连接，所述第五电容C5的第二端接地，所述模拟开关U2的一脚与第一电阻R1的第二端及第二电阻R2的第二端连接，所述模拟开关U2的二脚接地，所述模拟开关U2的三脚分别与第三电阻R3的第二端及第七电容C7的第一端连接，所述模拟开关U2的四脚与保护电路(4)连接，所述模拟开关U2的六脚与MCU处理单元(1)连接。

4.根据权利要求1所述的一种模拟量输出控制电路，其特征在于：所述保护电路(4)包括自恢复保险丝F1和瞬态电压抑制器D2，所述自恢复保险丝F1的第一端分别与瞬态电压抑制器D2的第一端及模拟开关U2的四脚连接，所述自恢复保险丝F1的第二端与MCU处理单元(1)连接，所述瞬态电压抑制器D2的第一端分别与自恢复保险丝F1的第二端以及模拟开关U2的四脚连接，所述瞬态电压抑制器D2的第二端接地。

5.根据权利要求1所述的一种模拟量输出控制电路，其特征在于：所述防倒灌电路(5)包括超快恢复功率二极管D1，所述超快恢复功率二极管D1的第一端分别与第一电容C1第二端及第二电容C2的第二端连接，所述超快恢复功率二极管D1的第二端接入+24V电源。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及模拟量输出控制电路技术领域，具体为一种模拟量输出控制电路。

背景技术

现有的标准模拟量信号主要有0-5V和4-20mA,用于给传感器或者其他输入输出设备提供标准信号源进行控制，在环卫及工程机械领域0-5V输出，业界一般采用高精度运算放大器搭建放大电路输出0-5V信号(如采用MAX9943AUA)，4-20mA输出主要采用4-20mA变送器搭建电路（如采用AD694AR），当用户同时需要0-5V或者4-20mA，则产品上需要同时保有这两种电路类型，这两种电路均无短路，过温自诊断保护功能，同时电压型模拟量输出量程还较小，碰到0-10V的模拟量输入需求还无法满足。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种简单可靠，自带短路，过流，过温自诊断保护功能的模拟量输出控制电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：包括MCU处理单元，电压\/电流输出电路，电压\/电流切换电路，保护电路和防倒灌电路，所述MCU处理单元与电压\/电流输出电路和电压\/电流切换电路相连，所述电压\/电流输出电路与电压\/电流切换电路相连，所述电压\/电流输出电路上设有防倒灌电路，所述电压\/电流切换电路的输出端设有保护电路。

进一步地，所述电压\/电流输出电路包括集成电路、第一电阻、第二电阻、第三电阻，第四电阻、第五电阻，第六电阻，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容和第九电容，所述第一电阻的第一端与集成电路的二十二脚连接，所述第一电阻的第二端分别与第二电阻的第二端及电压\/电流切换电路连接，所述第二电阻的第一端分别与集成电路的二十一脚及第六电容的第二端连接，所述第二电阻的第二端分别与第一电阻的第二端及电压\/电流切换电路连接，所述第六电容的第一端与集成电路的十七脚连接，所述第六电容的第二端分别与集成电路的二十一脚及第二电阻的第一端连接，所述第三电阻的第一端与集成电路的十九脚连接，所述第三电阻的第二端分别与电压\/电流切换电路及第七电容的第一端连接，所述第七电容的第二端分别与第八电容的第二端、第九电容的第二端、第五电阻的第二端连接并且接地，所述第八电容的第一端与集成电路的十八脚连接，所述第八电容的第二端分别与第九电容的第二端、第七电容的第二端、第五电阻的第二端连接并且接地，所述第九电容的第一端分别与集成电路的十四脚及十五脚连接，所述第九电容的第二端分别与第七电容的第二端、第八电容的第二端、第五电阻的第二端连接并且接地，所述第五电阻的第一端与集成电路的十三脚连接，所述第五电阻的第二端分别与第七电容的第二端、第八电容的第二端、第九电容的第二端连接并且接地，所述第四电阻的第一端分别与集成电路的七脚及MCU处理单元连接，所述第四电阻的第二端接地，所述第六电阻的第一端分别与集成电路的三脚及MCU处理单元连接，所述第六电阻的第二端接+3.3V电源，所述第一电容和第二电容的第一端分别与集成电路的二十四脚及防倒灌电路连接，所述第一电容和第二电容的第二端接地，所述第三电容和第二电容的第一端与集成电路的一脚连接并且接地，所述第三电容和第四电容的第二端与集成电路的二脚连接，所述集成电路的零脚、四脚、五脚、六脚、十一脚、十二脚和二十三脚分别接地，所述集成电路的八脚、九脚和十脚为SPI接口分别与MCU处理单元连接。

进一步地，电压\/电流切换电路包括模拟开关和第五电容，所述第五电容的第一端分别与模拟开关的五脚及+3.3V电源连接，所述第五电容的第二端接地，所述模拟开关的一脚与第一电阻的第二端及第二电阻的第二端连接，所述模拟开关的二脚接地，所述模拟开关的三脚分别与第三电阻的第二端及第七电容的第一端连接，所述模拟开关U2的四脚与保护电路连接，所述模拟开关的六脚与MCU处理单元连接。

进一步地，所述保护电路包括自恢复保险丝和瞬态电压抑制器，所述自恢复保险丝的第一端分别与瞬态电压抑制器的第一端及模拟开关的四脚连接，所述自恢复保险丝的第二端与MCU处理单元连接，所述瞬态电压抑制器的第一端分别与自恢复保险丝的第二端以及模拟开关的四脚连接，所述瞬态电压抑制器的第二端接地。

进一步地，所述防倒灌电路包括超快恢复功率二极管，所述超快恢复功率二极管的第一端分别与第一电容第二端及第二电容的第二端连接，所述超快恢复功率二极管的第二端接入+24V电源。

本实用新型的有益效果：

1、通过模拟开关U2来实现电压或电流的切换从而实现电压或电流模拟量输出。

2、保护电路上设置有自恢复保险丝F1和瞬态电压抑制器D2，可以对内部电路实现过流，短路，过温的自诊断保护。

3、防倒灌电路5的设置可以防止外部接口被误接电源时通过第一电容和第二电容倒灌入+24V电源系统。

4、相对于以前的模拟量输出电路，本电路量程可软件编程，可以通过软件来设置模拟电压或者模拟电流输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型模拟量输出控制电路原理框图；

图2为本实用新型模拟量输出控制电路图。

图中： 1、MCU处理单元；2、电压\/电流输出电路；3、电压、电流切换电流；4、保护电路；5、防倒灌电路。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图2,本实用新型提供一种技术方案：一种模拟量输出控制电路，包括MCU处理单元1，电压\/电流输出电路2，电压\/电流切换电路3，保护电路4和防倒灌电路5，所述MCU处理单元1与电压\/电流输出电路2和电压\/电流切换电路3相连，所述电压\/电流输出电路2与电压\/电流切换电路3相连，所述电压\/电流输出电路2上设有防倒灌电路5，所述电压\/电流切换电路3的输出端设有保护电路4。

所述MCU处理单元1可采用任一品牌的MCU进行设计,它通过SPI总线,Alarm_Dect和AO_LATCH1控制信号与电压\/电流输出电路2中的集成电路U1进行通信，通过Ctr_out控制信号对电压\/电流切换电路3进行控制。

所述电压\/电流输出电路2包括集成电路U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，第四电阻R4、第五电阻R5，第六电阻R6，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9，所述第一电容C1, 第二电容C2, 第三电容C3, 第四电容C4，第五电容C5, 第七电容C7, 第八电容C8和第九电容C9为滤波电容。集成电路U1的八脚、九脚和十脚为SPI接口，与MCU处理单元1的SPI总线连接，第一电阻R1和第二电阻R2组成电压信号反馈回路，第五电阻R5采用15K精密电阻保证输出电流的在不同温度下的稳定性。

正常状态下Alarm_dect信号为高电平，当集成电路U1检测到电压或电流信号短路，芯片过温时，Alarm_dect信号被置低，从而触发MCU处理单元1的中断处理机制，实现对模拟量输出控制电路的自诊断保护功能，AO_LATCH1控制信号通过下拉电阻第四电阻R4接地，保证MCU处理单元1初始化过程中AO_LATCH1控制信号为低电平，当MCU处理单元1通过SPI总线将电压或电流输出值信号传送到集成电路U1时，MCU处理单元1同步将AO_LATCH1控制信号置高，在上升沿将SPI总线数据锁存到集成电路U1的寄存器中并输出电压或电流模拟信号。

所述电压\/电流切换电路3包括模拟开关U2和第五电容C5，所述第五电容C5的第一端分别与模拟开关U2的五脚及+3.3V电源连接，所述第五电容C5的第二端接地，所述模拟开关U2的一脚与第一电阻R1的第二端及第二电阻R2的第二端连接，所述模拟开关U2的二脚接地，所述模拟开关U2的三脚分别与第三电阻R3的第二端及第七电容C7的第一端连接，所述模拟开关U2的四脚与保护电路4连接，所述模拟开关U2的六脚与MCU处理单元1连接。当Ctr_out控制信号通过模拟开关U2的六脚输出低电平时，模拟开关U2的一脚和四脚导通，从而输出模拟电压信号，当Ctr_out控制信号通过模拟开关U2的六脚输出高电平时，模拟开关U2的三脚和四脚导通，从而输出模拟电流信号，实现对电压或电流输出的控制。

所述保护电路4包括自恢复保险丝F1和瞬态电压抑制器D2，所述自恢复保险丝F1的第一端分别与瞬态电压抑制器D2的第一端及模拟开关U2的四脚连接，所述自恢复保险丝F1的第二端与MCU处理单元1连接，所述瞬态电压抑制器D2的第一端分别与自恢复保险丝F1的第二端以及模拟开关U2的四脚连接，所述瞬态电压抑制器D2的第二端接地。保护电路4采用自恢复保险丝F1和瞬态电压抑制器D2，用于实现对内部电路的瞬态电压和过流保护。

所述防倒灌电路5包括超快恢复功率二极管D1，所述超快恢复功率二极管D1的第一端分别与第一电容C1第二端及第二电容C2的第二端连接，所述超快恢复功率二极管D1的第二端接入+24V电源。防倒灌电路采用超快恢复功率二极管D2，防止外部接口AO_OUT被误接电源时通过第一电容倒灌入+24V电源系统。

本实用新型电路外围电路少，简单可靠，自带短路，过流，过温自诊断保护功能，可以有效降低产品故障率，可通过软件设置为模拟电压或者模拟电流输出，电路冗余度高，量程可软件设置为0-11V\/0-24mA,量程较大。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

设计图

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