專利名稱：基于pwm的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)的生成方法和裝置。
背景技術(shù)：
環(huán)流傳輸電測量參數(shù),尤其是4 20mA環(huán)流傳輸電測量參數(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中還是有一定的應(yīng)用，其具有長距離傳輸可靠，抗干擾強(qiáng)等優(yōu)勢，通常傳統(tǒng)的用電量變送器將現(xiàn)場電測量信號變換為4 20mA，傳送給PLC (可編程邏輯)或DCS (分散控制系統(tǒng))系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)和DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換器)是經(jīng)常需要同時(shí)使用的，然而許多單片機(jī)內(nèi)部并沒有集成DAC，即使有些單片機(jī)內(nèi)部集成了 DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，DAC的精度也往往不高，在高精度的應(yīng)用中還是需要外接DAC，這樣增加了成本。但是，幾乎所有的單片機(jī)都提供定時(shí)器或者PWM (脈寬調(diào)制)輸出功能。如果能應(yīng)用單片機(jī)的PWM輸出(或者通過定時(shí)器和軟件一起來實(shí)現(xiàn)PWM輸出)，經(jīng)過簡單的變換電路就可以實(shí)現(xiàn)DAC， 這將大量降低成本電子設(shè)備的成本、減少體積，并容易提高精度。尤其是，諸如STM32系列等ARM具有多路獨(dú)立16Bit的PWM輸出，且還具有強(qiáng)大的外設(shè)功能和運(yùn)算能力，為4 20mA輸出方案提供了硬件基礎(chǔ)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中存在這樣的一種需求，即實(shí)現(xiàn)基于PWM輸出的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)的輸出電路，尤其是4 20mA電流、O至20m電流，以及O至5V電壓的輸出電路。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的，在于解決上述問題，提供一種基于PWM輸出的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)的輸出電路，從而充分利用現(xiàn)有的ARM資源，避免使用額外的DAC，從而節(jié)省降低產(chǎn)品成本以及片上面積。為實(shí)現(xiàn)上述目的本實(shí)用新型提供的基于PWM輸出的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)的輸出裝置包括PWM信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生PWM信號；PWM信號整形隔離電路，用于對PWM信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號進(jìn)行隔離整形；低通濾波器，用于濾掉經(jīng)整形的信號的直流分量，驅(qū)動(dòng)放大電路，用于將經(jīng)濾波的信號放大為具有預(yù)設(shè)范圍的標(biāo)準(zhǔn)信號，以及，基準(zhǔn)電壓發(fā)生電路，用于為PWM信號整形隔離電路提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。優(yōu)選的是，在輸出部分的輸出端口有大電流或浪涌時(shí)從而保護(hù)放大電路中的運(yùn)放器件，使其免遭破壞。具體而言，所述預(yù)設(shè)范圍的標(biāo)準(zhǔn)信號包括4至20mA的電流信號，或O至5V的電壓信號。本實(shí)用新型在對PWM波形組成進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出了可以通過一個(gè)低通濾波器把PWM中的DAC調(diào)制信號解調(diào)出來，實(shí)現(xiàn)對環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)的輸出，尤其是4 20mA輸出。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的4 20mA電路實(shí)現(xiàn)方式，可以適合于各種顯示儀表上，實(shí)現(xiàn)4 20mA模擬輸出數(shù)字化，為降低成本和模塊化生產(chǎn)創(chuàng)造條件。
圖I的PWM波形示意圖；圖2為整形隔離電路的一種實(shí)現(xiàn)的示意圖；圖3為濾波電路、放大電路以及保護(hù)電路的一種實(shí)現(xiàn)的示意圖；圖4為基準(zhǔn)電壓發(fā)生電路的一種實(shí)現(xiàn)的示意圖。圖5為依據(jù)本實(shí)用新型的基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置的一種實(shí)施例的原理框圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖對本實(shí)用新型的可能的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明?！WM是一種周期固定不變，而高低電平的占空比可以調(diào)制的方波信號，如果PWM信號的占空比隨時(shí)間變化，那么通過濾波之后的輸出信號將是幅度變化的模擬信號，因此通過控制PWM信號的占空比就可以產(chǎn)生不同的模擬4 20mA輸出信號,這樣將4 20mA輸出信號對應(yīng)到電測量參數(shù)，如電流，電壓，頻率，功率，或功率因素等電參數(shù)，輸入信號和輸出的4 20mA信號成線性關(guān)系變化，通過4 20mA輸出信號很容易的測量參數(shù)上傳給計(jì)算機(jī)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量和控制。在諸如ARM (STM32F103RC)中內(nèi)置了 PWM信號發(fā)生器，即脈沖寬度調(diào)制信號發(fā)生器，I個(gè) Μ可以產(chǎn)生四路獨(dú)立的PWM信號，采用TM1_ARR寄存器確定脈沖寬度調(diào)制PWM信號頻率、由TMl_CCRx寄存器確定PWM信號的占空比，占空比變化，經(jīng)過整形濾波放大的4 20mA輸出信號也會成線性變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)模DAC轉(zhuǎn)換。圖I是一種在電路中經(jīng)常遇到的PWM信號波形。該P(yáng)WM的高低電平分別為VH和VL,理想的情況VL等于0，VH等于ARM的工作電壓VCC，但是實(shí)際中一般VL不等于0，VH也不等于VCC，這往往是應(yīng)用中產(chǎn)生誤差的一個(gè)主要原因，在電路設(shè)計(jì)中要充分考慮VL和VH的穩(wěn)定性，從而要引入基準(zhǔn)電壓源，充分考慮VL和VH不要受環(huán)境溫度變化而改變，這是保證輸出精度的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在HMl_CCMRx寄存器中的OCxM位寫入“110 " (PWM模式I)或“ 111'(PWM模式2)，能夠獨(dú)立地設(shè)置每個(gè)通道工作在PWM模式，每個(gè)OCx輸出一路PWM必須通過設(shè)置HMl_CCMRx寄存器OCxPE位使能相應(yīng)的預(yù)裝載寄存器，最后還要設(shè)置TM1_CR1寄存器的ARPE位使能自動(dòng)重裝載的預(yù)裝載寄存器，用HM1_ARR產(chǎn)生IOOOHz的脈沖調(diào)制頻率，TIM1_CCR0最小改變良為1，最大65536范圍內(nèi)變化；圖I的PWM波形可以用分段函數(shù)表示為式⑴
fFH kNT < f < nT + kNT/Cf) =一 m ,一 Cl)
Ifl kNT + Γ C t ^ NT + kNT其中T是STM32F103RC中計(jì)數(shù)脈沖的基本周期，即ARM每隔T時(shí)間記一次數(shù)(計(jì)數(shù)器的值增加或者減少I)，N是PWM波一個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，η是PWM波一個(gè)周期中高電平的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，VH和VL分別是PWM波中高低電平的電壓值，k為諧波次數(shù)，t為時(shí)間。把式(I)所表示的函數(shù)展開成傅里葉級數(shù)[1]，得到式(2):
權(quán)利要求1.基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置，其特征在于包括 PWM信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生PWM信號； PWM信號整形隔離電路，用于對PWM信號發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號進(jìn)行隔離整形； 低通濾波器，用于濾掉經(jīng)整形的PWM信號的直流分量， 驅(qū)動(dòng)放大電路，用于將經(jīng)濾波的PWM信號放大為具有預(yù)設(shè)范圍的標(biāo)準(zhǔn)信號，以及 基準(zhǔn)電壓發(fā)生電路，用于為PWM信號整形隔離電路提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置，其特征在于在驅(qū)動(dòng)放大電路的輸出部分的輸出端口有大電流或浪涌時(shí)從而保護(hù)放大電路中的運(yùn)放器件的保護(hù)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置，其特征在于所述預(yù)設(shè)范圍的標(biāo)準(zhǔn)信號包括4至20mA的電流信號，或O至5V的電壓信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置，其特征在于所述PWM信號發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)在一 ARM上的。
4、根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置，其特征在于PWM信號整形隔離電路可以為基于光耦U2和模擬開關(guān)U3的電路，其中，PWM波直接從該ARM的PWM引腳輸出，產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)Ql驅(qū)動(dòng)光耦U2，由U2的VO腳輸出，經(jīng)模擬開關(guān)U3整形，從U3的COM腳輸出整形過的方波PWM信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置，其特征在于低通濾波器采用RC濾波器，其中濾波器的截至頻率大于信號帶寬邊沿，但是遠(yuǎn)小于PWM信號的頻率。
專利摘要本實(shí)用新型公開了基于PWM的環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)輸出裝置，其包括PWM信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生PWM信號；PWM信號整形隔離電路，用于對PWM信號發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號進(jìn)行隔離整形；低通濾波器，用于濾掉經(jīng)整形的PWM信號的直流分量，驅(qū)動(dòng)放大電路，用于將經(jīng)濾波的PWM信號放大為具有預(yù)設(shè)范圍的標(biāo)準(zhǔn)信號，以及基準(zhǔn)電壓發(fā)生電路，用于為PWM信號整形隔離電路提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。本實(shí)用新型在對PWM波形組成進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出了可以通過一個(gè)低通濾波器把PWM中的DAC調(diào)制信號解調(diào)出來，實(shí)現(xiàn)對環(huán)流傳輸點(diǎn)測量參數(shù)的輸出。
文檔編號G01R31/317GK202710718SQ20122035081
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者任家愛, 熊皓 申請人:深圳市亞特爾科技有限公司