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将单片机PWM信号变送成工业标准电流输出4-20mA.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.40M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    摘要：本文介绍了一个简单实用的信号转换变送电路，即如何将来自单片机的脉宽调制信号 PWM 转换 变送为工业标准的电流信号（4-20mA）。文章描述了如何将一个单片机与模拟工控网相连接，把单片机 的数字信号 PWM 传递到过程控制系统中去的方法。 关键词：PWM 调制脉宽信号；变送集成电路；低通滤波器；电流信号传输 中图分类号：TN787+.2 文献标识码：B 文章编号：1006-883X(2006)10-0022-0005 一、概述 Nobert Rauch 施林生 工业上的有一些典型应用（图 1），如把采集到的测量信号经过单片机处理以后传输到工控网的接收电路 上去，通常是采用可靠的电流传输方法。但怎么才能将数字信号即简单又准确地转换成合适的电流信号比如 0mA～20mA 或 4mA～20mA 呢？本文就这个问题进行了回答并通过例子给出了具体的应用电路和各参数的计 算方法。 二、D/A-转换电路和 PWM 调制脉宽信号 在很多工业应用中，人们可以很容易找到各种合适的低价的单片机，它们可以对采集的信号进行校准、线 性化、控制，也可以对测试通道 或类型进行识别。它们内部的程 序 和进程 都是以数字 信号 进行 的，但其结果要进行信号数据传 递并为工业上所用却经常必须转 换成模拟信号。 在一个工业控制系统中，数 据通讯系统常要求有一个模拟电 流 4mA～20mA 的输出信号，那 么依次就要对测量信号进行转换 一直到电流信号的转换。首先测 量信号要放大，通过 A/D 转换成 数字信号，在单片机处理后再重 新 转换成 合适的模拟 电压 信号 （D/A 转换），然后该电压经滤 22 传 感 器 世 界 2006.10 www.sensorworld.com.cn 测量信号 V = 5V µP D D A 稳压电路 24V 电压电流转换 4...20mA 图 1 典型的工业应用框图 测量信号 µP D D A AM462 4...20mA 测量信号 µP DPWM 低通滤波器 AM462 4...20mA 图 2 用 AM462 将信号转换成电流输出（4 ～20mA）的多种可能性
    波再转换成电流并调整到所希望 的电流输出值。 如果一个 D/A 转换电路是集成 在单片机电路里（图 2），那么前 提是经转换输出的电压信号是足 够光滑的（滤波），并且它的分辨 率足够高以满足测量精度的要求， 然后还需要将该电压信号转换成 所希望的电流输出值。这时需要一 个 电 压 控 制 的 电 流 源 电 路 或 一 个 现 成 的 集 成 电 路 比 如 AM462，它可以简单地直接与 D/A 转换电路相连输出电流信 号[2]。 如果在单片机中没有 D/A 转换电路并且由于费用问题不 允许再添加 D/A 转换电路时，就必须要采用其它方法将数字 信号转换成模拟电压信号。通常在单片机中集成有一个硬件 式的可输出 PWM 脉宽调制信号的端口，利用它就可以将数 字信号转换成所希望的电流信号。PWM 脉宽调制信号是一 种矩形波，它的开启时间 tp 与一个周期 T 的比是根据数字信 号变化而变化的（见图 3）。 如果在单片机中即没有 D/A 转换电路也没有硬件式的 可输出 PWM 脉宽调制信号的端口，比如一些低成本的 RISC 芯片就是这样，那么也可以通过软件方式产生这个 PWM 信 号并通过编程让一个 I/O 输出端口作为 PWM 信号的输出端。 对此可以使用一个由时钟控制的中断程序来实现。在一个周 期 T 内，通过软件方式使 I/O 输出端口产生一个开启和关闭 的 PWM 信号，它的脉冲宽度 tp 是与数字化的测量信号值相 关联的。单片机的 I/O 输出端通常输出的是 分立的固有脉冲频率（基频）f = 1/tCLK 的电 压值 U1（U1=3.3V 或 5V）并与 PWM 信号 相适应，所以此时 PWM 信号的脉冲幅值即 振幅就是 U1。 开启时间 tp 和周期 T 的比值 tp/T 可看作 为占空比或工作比（图 3）。占空比的变化 是与经单片机处理的测量信息相关联的。如 果该信息具有 10 位的分辨率，那么周期 T 应满足 T= 1024 tCLK。 例 如 ， 如 果 一 个 十 六 进 制 的 信 息 为 006A，单片机的固有脉冲周期为 tCLK= 1µs， 那么可得到相应的脉冲宽度为 tp= 106µs 的 PWM 信号，此时单片机的基频频率不分频。 如果微处理器有 10 位的分辨率，可以得到 U1 T tclk Technology & Application 占空比为 t p T = 106 1024 ≅ 10.0 ，参见图 4。 三、滤波电路和参数计算 下面描述的滤波电路和元器件数值的 tp t 计算是基于在输出端输出的是经单片机处 理后的 PWM 脉宽调制信号。为了将 PWM 图 3 PWM 脉冲宽度 tp 定义示意图 信号转换成模拟电压信号，通常由一个低通 滤波器将信号进行算术平均值处理后取得 的。此时 PWM 信号必须满足这个准静态的条件即： fm<< fp （fm = 测量信号的变化， fp = 1/tp），才可以通过一个滤波电 路将 PWM 信号转换成模拟电压信号（见图 5）。 这个来自单片机的矩形波 PWM 信号 U1 通过低通滤波器 得到一个平均值的模拟电压信号 U2，它是与占空比 tp/T 成正 比的。计算公式如下： U 2 = 1 T Tt + 0 t 0 ( ) dt tU 1 ∫ ⎯→⎯ U = 2 tpU T 1 （1） 经过滤波的 PWM 信号即 U2 再继续转换成工业标准的电 流输出（4mA~20mA）。如果占空比 tp/T 为 0.5，则输出的模 拟电压值是算术平均值为 2.5V，如果系统的输出幅值是 5V 的话（U1）。 上面的公式中还没有涉及到滤波电路的参数计算和信号 转换时相关的误差问题。接下来的问题是,如何来确定低通滤 波器的电气参数，而这个参数是与转换精度直接相关的？或 者说，怎样做才能使 PWM 信号在转换成电流信号时所带来 1 tp 10 = T tp = 1 2 T 9 tp 10 = T 图 4 PWM 信号的不同占空比 2006.10 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 23
    V=5V µP U1 低通滤波器 AM462 6...35V z.B. 4...20mA U2 U2 R C U1 t 模拟电压 和它的纹波 U2 2 U∆ t 图 5 带有 PWM 信号输出的单片机和电压电流转换电路 AM462 1 2 3 2 tUU p⋅ = 1 T pf 1U fg = 1 CR ⋅ ⋅ π2 ⋅ 1U 2U 2U gf f 1U gf 时间范围 2U 频率范围 f 2U 图 6 纹波电压与低通滤波器的截止频率 fg 的关系 从图 6 可以看出，纹波电压和低通滤波器的截止频率是 互相关联的物理量。要纹波电压小，也就要低通滤波器的截 止频率小。 由式（5）和（6）得出： fg = U 2 ∆ ⋅ TU ⋅ 1 max 2 ⋅ π (8) 可以看出用纹波电压 ∆U2max可以得出低通滤波器的截止 频率 fg。 例如，若 tCLK = 1µs，T = 1024 tCLK，纹波电压误差 ∆U2max 要求为 0.5% ，失调电压误差同样为 0.5% ，PWM 信号的 振幅= 5V，AM462 输出电流信号为 Iout = 4mA～20mA， AM462 输入偏置电流 IINPUT ≈ 10nA。将数据代入式（5）和 （6）计算得出：R=2500kΩ，C=20.48nF。将其值代入式（8） 得出低通滤波器的截止频率为 fg=3.1Hz。 的误差是几乎可以忽略的，对低通滤波器所计算确定的 电气参数在此起了一个什么作用？ 原则上所需要的低通滤波器只要在模拟电压转换时 不产生或产生很小的误差就可以了，就是说，来自低通 滤波器的干扰即纹波应该尽可能的小。 PWM 信号的振幅是 U1，经滤波输出的模拟电压 U2 和它的纹波为 ∆U2，在满足条件 ∆U2 << U1 的情况下， 当占空比 tp/T 为一半时，即： t p = 1 2 T (2) U2 的纹波 ∆U2 将是最大值，公式如下： ∆U2max= TU 1 ⋅ RC 4 （3） 上式说明，纹波电压不仅与 PWM 信号的振幅 U1 和 周期 T 有关，也与低通滤波器的电阻 R 和电容值 C 有关。 从低通滤波器的电阻 R 和电压电流转换电路 AM462 的输入偏置电流(IINPUT)可得出转换电路的输入失调电压 UOff ，该输入失调电压也是导致电流输出误差 ∆Iout 的重 要部分。 = (4) U R I ⋅ Off INPUT 从输入失调电压公式(4)和纹波电压公式（3）中可以 看出，电阻 R 所起的作用正好相反，所以在计算低通滤 波器的 R 和 C 时，会涉及到一个相同意义上的最佳选择 问题。根据边界条件的要求，实际上计算时的此二部分 误差应该相等，即 UOff =∆U2max，所以，由公式（3）和（4） 得出最佳电阻值 R 为： R = U 2∆ I INPUT max (5) 由式（3）得出电容 C 为： IC = ⋅ INPUT 4 U ⋅ ∆ ⋅ UT 2 2 max 1 ⋅ (6) 在边界条件预先给出的情况下，即当输入失调电压和纹 波电压二个误差相等时确定了低通滤波器 R 和 C 的值。与前 面理论计算无关，在电路设计时还必须考虑电容的损耗系数 tanδ 和温度系数对系统性能的影响，当然还有体积的大小和 成本等问题。 低通滤波器的截止频率 fg （3dB），通过它能将 PWM 信号的变化 fm （测量信号的变化）传递转换的，由下面的式 子得出： f g = 1 CR π2 ⋅ ⋅ ⋅ (7) 24 传 感 器 世 界 2006.10 www.sensorworld.com.cn
    VCVREF VREF C1 R3 1 13 15 16 R4 VSET AM462 VCVSET 2 3 VBG VBG VINP OP2 参考电压源 V OP1 R1 4 R2 5 6 VOUTAD VINDAI 11 10 9 8 I 14 VS R0 T1 D1 R5 IOUT Ground 图 7 AM462 的 3-线制 4-20mA 电流变送输出电路 3,3 V R7 VCVSET AM462 VCVREF VREF C1 R3 1 13 15 16 R4 VSET 2 3 VBG VBG R6 VINP PWM R C OP2 参考电压源 V 5 6 OP1 R1 4 R2 11 10 9 8 I 14 VS R0 T1 D1 R5 IOUT 4...20 mA Technology & Application AM462（图 7）是一个多级放大和带有 多种附加功能和保护功能的电压电流变送集 成电路。该集成电路以模块化的方式集成了 各个功能模块，它们可以单独使用也可以相 互连接组合使用，可以满足多种的应用要求。 下面简要介绍 AM462 的各个功能块情况。 1、前置放大级 AM462 的前级是一个运算放大器 OP1。 输入的单端接地信号可以从 0 至 5V，并且在 单电源情况下，能达到几乎为零的零点输 出。运算放大器 OP1 具有信号过载饱和功 能，可使输出电压限定在参考电压之下，对 后级达到过载保护的目的。 2、电压电流转换级（V/I－转换） 通过 V/I-转换级，使输入电压信号转换 成标准电流信号比如 0/4mA～20mA 输出。 通过外接的三极管 T1 驱动输出电流，使电热 耗散功率远离了集成电路。电流输出的范围 比如零点和满度输出可通过二个外接的电阻 进行简单调整（图 7）。当然可以通过单片机 进行数字调整，使 PWM 信号在小范围内调 整，达到调整电流输出的目的，也省去了电 位器。 图 8 通过 AM462 将 PWM 信号变送为 3 线制 4-20mA 信号 作为附加条件，必须注意低通滤波器的截止频率 fg 要小 于 fit，fit 是电压电流转换电路的传递频响，AM462 的传递频 响约为 50kHz。 由于 AM462 是模拟集成电路，所以输出信号可达到的 精度仅仅依赖于 PWM 信号也就是单片机的脉冲频率。如果 要求更小的纹波电压，可用应用更好和复杂的滤波电路如 Tschebyscheff-、Bessel- 或者 Butterworth-滤波电路。 当然可以先通过一个频响较快的光电耦合放大器，将 PWM 信号进行电气隔离，然后将光电耦合放大器输出的 PWM 信号经低通滤波器滤波后再通过 AM462 进行电压电流 变送处理，这样就可得到隔离变送电路。光电耦合放大器的 工作电源由 AM462 直接提供。 四、工业通用的电压电流变送集成电路 AM462 Ground 3、恒压源输出 AM462 带有一个 5V（通过管脚 VSET 设 置也可以输出 10V）的恒压源，它可提供最 大输出电流达 10mA，可作单片机和其它外部电路比如传感 器的工作电源。 4、可作恒流源输出的运算放大器 OP2 附加的运算放大器 OP2 既可作恒流源也可作恒压源来使 用，输出电流也可达 10mA。运算放大器 OP2 的正相输入端 已接在电路内置的固定电压 VBG（＝1.27V）上，调整二个外 接电阻就可获得各种恒压或恒流输出。 总之，AM462 有一个内置电压过载保护的运算放大器 （OP1），一个集成的输出极性保护的电压电流（V/I）转换 的输出级，同时还有输出电流限制保护功能，可以保护当外 接负载为零时的输出级不被损坏，所以，AM462 是一个典型 的工业通用的电压电流转换变送集成电路。 （下转 29 页） 2006.10 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 25
    较好地解决了这种不确定性问题，将多个传感器获得的信 息准确地合成为对环境的一致描述，增强了系统的正确决 策能力。因此，D-S 理论可以有效地应用于机器人的多信息 融合。但是当用于决策的传感器数量较多时，从上面的方 法可以看出，计算量很大，计算很复杂。 参考文献 [1] Bogler R L. Shafer Dempster Reasoning with Application to Muotisensor Target Identification System[J]. IEEE Trans. On Syst.Man and Cybern, 1981,17(6):415-418 [2] 段新生．证据理论与决策、人工智能[M]．北京：中国人民大 学出版社，1993：10-15 [3] 邬永革、黄炯、杨静宇．基于多传感器信息融合的机器人障碍 检测和环境建模[J]．自动化学报，1997，23(5)：641-647 [4] 邵远、何发昌、罗志增．多传感器信息融合浅析[J]．电子学报， 1994，22(5)：73-79 （上接 25 页） 四、总结 单片机的数字信号，比如它的脉冲频率和 I/O 输出电压 即 PWM 信号预先给定，那么用一个简单的低通滤波器和一 个电压控制的电流源（比如 AM462）就可以转换变送成 4-20mA 的电流输出信号。本文详细讨论和计算了低通滤波 器的电路参数。通过所给出的公式很容易使转换电路与具体 的应用边界条件相符和。 本文给出的应用举例是 3 线制的 4-20mA 变送电路，也 可以简单地变成 2 线制的 4-20mA 变送电路[1]，只要在 2 线 制工作情况下总工作电流不超过 4mA 并对转换电路的电流 信号不产生影响。 以 上 所 有 资 料 请 参 阅 网 站 wwww.analogmicro.de 和 www.sym-china.com Converse The Microcomputer To Standerd Current Output Signal Abstract:A simple and practical signal conversion electric circuit is introduced in this paper, which can convers the PWM Single-Chip From PWM Signal Technology & Application theory An Improved Algorithm Of D-S Evidence Theory On Multisensor Data Fusion Abstract: A multisensor data fusion method based on Dempster-Shafer evidence is described, and an improved algorithm of D-S is put out to solve the dependent information in data fusion. As an applied instance, a test is tried out for its validity based on the fusion of information from slip and thermal sensors. Keywords: multisensor; data evidence theory 作者简介 fusion; Dempster-Shafer 张乐星，杭州师范学院计算机系讲师，硕士，现主要从事 计算机控制及安全方面的教学与研究工作。 通信地址：杭州师范学院计算机系（310030） 电邮：hsyzlx@zj.com 本文编辑：陈明 读者服务卡编号 006 signal from single-chip microcomputer to industrial standard current signal(4~20mA). The method is discribed in the paper how to connect the single-chip microcomputer to analog industrial control network and deliver the PWM signal to the process control system. Keywords: pule-wide modulated signal , transfer IC, low-pass filter, current signal transfer 作者简介： Norbert Rauch：电子学博士，德国 Analog microelectronics (AMG) 公司经理，研究方向:专用半导体集成电路。 施林生，物理硕士，德国 AMG 公司中国市场负责人、上海 芸生微电子有限公司总经理，研究方向:传感器信号处理。 通讯地址:上海 108-009 信箱 （201108） 电话:021-64586462 电邮:zzhiyun@sym-china.com 本文编辑：霍莉 读者服务卡编号 005□ 2006.10 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 29
    word版下载：http://www.ixueshu.com 免费论文查重：http://www.paperyy.com 3亿免费文献下载：http://www.ixueshu.com 超值论文自动降重：http://www.paperyy.com/reduce_repetition PPT免费模版下载：http://ppt.ixueshu.com ------------------------------------------------------------------------------- 阅读此文的还阅读了： 1. PPC3数字压力计标准装置检定电流输出压力变送器能力分析 2. 4—20mA电流信号的多路转换 3. 工业控制用4~20mA电流变送器 4. 用单片机实现频率可调的PWM控制信号 5. 变送器输出方式采用电流信号 6. 4~20mA电流变送器AD421及其应用 7. 4—20mA电流变送器AD421及其应用 8. 4~20mA导电塑料角位移电流输出传感器的开发 9. 数字化湿度传感器输出4-20mA工业标准电流的简单方法 10. 自制具有4(0)-20mA电流信号输出功能的数字万用表 11. 变送器的电流信号输出方式 12. 工业用4/20mA两线制变送器的设计 13. DCS中4~20mA电流冗余输出实现方法分析 14. 将单片机PWM信号变送成工业标准电流输出4-20mA 15. 4~20mA电流变送器的工业控制应用 16. 0~20mA/4~20mA电流环 17. 20MA(兆安培)的电流 18. 4~20 mA电流变送器AD421及其应用 19. 应变式传感器4～20mA输出型变送器的设计探讨 20. 4~20mA标准信号研究与探讨 21. 基于单片机的转速测量及输出4~20mA电流的系统设计 22. 4~20mA电流输出回路抗射频干扰研究 23. 一种4-20mA电流环的输入输出标定方法 24. 智能振动4-20ma信号变送器 25. 单片机输出PWM波的再整定
    26. 工业智能仪表标准电流信号输出电路设计 27. 铂电阻4~20mA电流变送器设计 28. 一种带错接保护的4-20mA电流信号输出传感器 29. 带桥激励4—20mA电流变送器 30. 未来出口:标准输出成最终目标 31. 20A输出电流的电源模块 32. 4~20mA电流信号输出电路 33. 基于MODBUS协议的4~20mA电流输出智能模块 34. 单片机步进式PWM输出的实现 35. 二种铂电阻4—20mA电流变送器电路 36. PWM用于变送器信号调理电路 37. 控制与保护开关电器用4~20mA标准电流输出电路 38. 一种PWM电压信号隔离转换到4～20mA电流信号的电路 39. 0-5V电压信号转4-20mA电流信号电路 40. 一种可控4-20mA电流输出电路 41. 变送器输出方式采用电流信号 42. 单片机输出PWM波的再整定 43. 铂电阻4—20mA电流变送器设计 44. 带桥激励4-20mA电流变送器 45. 一种4~20mA电流输出的电容角度传感器 46. 0～20 mA电流输出回路设计及其误差校正 47. 4-20mA电流环的设计 48. 变送器输出信号的探讨 49. 二线制4~20mA变送器的电路设计 50. 盛群新推输出达40mA电流的八位OTP单片机
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