多档量程模拟量输入输出统一设计技术

金江伟

摘要：随着国产化PLC在军工领域的应用变得越来越广泛，除了常规的数字量输入输出模块被大量采用，一些模拟量输入输出的需求问题日益突出。然而军工上使用的模拟量器件技术较为落后，所采用的接口的电压或电流指标与现代工业级PLC上的模拟量输入输出模块的指标存在较大差异，导致从工业级PLC基础上发展过来的国产化PLC无法满足直接对接

关键词：多档量程模拟量；输入；输出；设计技术

1课题研究内容与主要需要解决的问题

目前模拟量模块的输入输出量程基本覆盖了常用的模拟量模块量程，但在军工特殊应用领域，所需的量程范围可能与工业上常规的模拟量量程范围相差几十倍，甚至上百倍；比如某传感器的电压输出范围为-35～35V，则会要求电压输入模块的量程范围至少为-50V～50V；有些用于测试某两端之间绝缘电阻的电阻输入模块量程范围在1M～2000M，测试用的电压要求高达5000V；有些用于直接驱动电磁阀动作的大电流输出模块要求每通道输出电流高达2A；这些特殊应用场合均是工业级PLC无法直接胜任的，必须通过定制开发，根据客户的需求在现有产品基础上进行重新原理图设计，PCB设计以及相关机械设计等，导致开发周期非常长，一些新设计的电路没有经过长期实践应用可能还存在较大安全隐患。

2多档量程模拟量输入输出统一设计技术

2.1模拟量输入模块分析

2.1.1电流输入模块信号调理电路统一设计

图1电流输入模块信号调理电路

如图1所示，这是一个标准的电流输入调理电路，输入电流流过采样电阻R46后产生电压，经运放调理电路放大或缩小后送到ADC，电阻R45/R44（R45=R48,R44=R49）的比值大小决定了调理电路的放大倍数，通过调整R44,R45,R48,R49电阻值即可现实多档量程的电流输入，为满足大信号高精度的需求，在电阻选型时尽量选用较高功率的封装。

2.1.2电压输入模块信号调理电路统一设计

在电流输入电路基础上，电阻R46不焊接，则为一个标准的电压输入电路，输入电压经运放调理电路放大或缩小后送到ADC，电阻R45/R44（R45=R48,R44=R49）的比值大小决定了调理电路的放大倍数，通过调整R44,R45,R48,R49电阻值即可现实多档量程的电压输入，为满足大信号的需求，在电阻选型时尽量选用较高功率的精密电阻。

2.1.3毫伏级电压输入模块信号调理电路统一设计

毫伏级电压输入模块的模拟量调理核心电路是一个仪表放大器，通过调节增益电阻R21，可现实1～1000的放大倍数，对应小信号的放大处理非常方便，但由于AD620BRZ的最大差分输入电压为25V，导致高电压接入时需先经过其他降压电路处理后再进行信号调理。

尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性，但在不同应用环境下还需正确选择。

差分放大器本质上是一个运放减法器，通常使用大阻值输入电阻，通过大电阻限制放大器的输入电流来保护放大器。差分放大器还将输入共模电压和差分电压减小到可被内部减法放大器处理的范围。总之，差分放大器应当用于共模电压或瞬态电压可能超过电源电压的应用中。

与差分放大器相比，仪表放大器通常是带有两个输入缓冲放大器的运放减法器。当总输入共模电压加上输入差分电压（包括瞬态电压）小于电源电压时，应当使用仪表放大器。在最高精度、最高信噪比(SNR)和最低输入偏置电流(IB)是至关重要的应用中，也需要使用仪表放大器。

2.1.4热电阻输入模块信号调理电路统一设计

热电阻输入模块的调理电路，基准电压2.5V通过运放U11B和反馈电阻R304.99K电阻构成一个0.1mA电流源，被测电阻接入到+R1,-R1之间会产生一个电压，通过+RL1,-RL1对这个电压进行采集，经U11A信号放大处理后，送入ADC进行AD转换，处理器取得被测电阻两端的电压后，根据流过的电流为0.1mA可计算出被测电阻阻值大小，通过处理器软件查表方式求得对应的温度值；根据被测的电阻大小不同，可通过调节精准电压，反馈电阻产生不同的恒定输出电流，使被采样的电压满足U11A电压输入要求，或者通过调整R33/R32,R40/R35的电阻比值来调节U11A的放大电路放大比例，从而达到对多种电阻规格的测量。

2.2模拟量输出模块分析

2.2.1模拟量输出模块工作原理

模拟量输出模块通过数据总线接收CPU设置的模拟量输出值，通过MCU控制DAC完成数字量到模拟量的转换，由于D/A芯片输出范围一般在1～5V，最大电流输出能力只有几mA，需对D/A芯片输出的信号进行信号转换或信号放大，实现不同范围的模拟量信号输出。

对于数字量到模拟量的转换，一般采用D/A转换芯片。它是通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压；而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。所谓“权”，就是二进制数的每一位所代表的值。

2.2.2电流输出模块信号调理电路统一设计

一个4～20mA电流输出调理电路，由参考源、电平转换电路、功率放大三部分组成，DAC输出电压通过运放U5输出控制三极管Q2，Q10基极电压构成电压/电流转换，从而控制输出4～20mA电流。

2.2.3电压输出模块信号调理电路统一设计

一个±10V电压输出调理电路，由参考源、电平转换电路、功率放大三部分组成，DAC输出电压通过运放U9输出到由三极管Q1，Q4构成推挽放大电路进行信号放大，从而控制输出±10V电压，由于NPN管的基极电压必须大于发射极电压才能导通，固电路输出范围受限于运放的输出电压。

结语

在硬件设计阶段考虑多档量程模拟量输入输出设计，可减少重复设计，提高产品维护性，扩大产品的应用范围，具备较高用实用价值。但当要求输入输出较高电压或电流值时，相应的器件需做重新选型及电路板的重新设计，对于小信号的处理虽不需要更改电路板，但也会影响测量精度及输出精度的改变。

参考文献：

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[2]董伟鹤,钟立平,熊科,陈良,王刚,肖双,王强.CPR1000安全级DCS模拟量卡件超量程设置方案分析[J].自动化博览,2012,29(S1):63-65.