張楠楨，吳勝華，許天驕

（南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司，南京 210000）

在工業(yè)應(yīng)用中，變送器測(cè)量的各種非電物理量，如溫度、壓力、流量、濕度等都需要遠(yuǎn)距離傳輸?shù)街锌厥?。電流信?hào)在傳輸線路上抗干擾能力強(qiáng)，也不會(huì)在傳輸線路上產(chǎn)生電壓降，因此電流信號(hào)成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主流的信號(hào)傳輸方式。在控制系統(tǒng)中，輸出信號(hào)不僅需要有較高的精度，更重要的是穩(wěn)定性和可靠性。

本文提出了一種獲得可流源[1]輸出的方法，不僅能夠輸出高精度的電流信號(hào)，而且能夠快速檢測(cè)電流信號(hào)的回路狀態(tài)，在遇到特殊情況時(shí)可以控制輸出的通斷，滿足穩(wěn)定可靠的要求。

1 可調(diào)恒流源輸出設(shè)計(jì)

1.1 電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

可調(diào)恒流源的產(chǎn)生通過(guò)一個(gè)DAC提供可變的電壓，通過(guò)電壓跟隨的原理利用運(yùn)放的特性將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)[2]。

在圖1的電路中，R1和R2是串聯(lián)的關(guān)系，流經(jīng)兩者的電流值相等，所以只要使兩者的阻值也相等，根據(jù)運(yùn)放的特性，那么Ro兩端的電勢(shì)差就等于Vout。因此，負(fù)載上的輸出電流：

圖1 電流轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電路Fig.1 Current conversion design circuit

對(duì)于確定的Ro，輸出的電流值和Vout成線性的關(guān)系，與負(fù)載的阻值無(wú)關(guān)，由此可以實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的恒流輸出。

在電壓轉(zhuǎn)換電流的過(guò)程中，由于負(fù)載本身有一定的輸入電阻，與繞線電阻的阻值并聯(lián)后總阻值會(huì)發(fā)生變化。而負(fù)載電阻本身變化較大，會(huì)使電路帶負(fù)載能力下降，所以采用電壓跟隨器可以有效地消除負(fù)載效應(yīng)，增強(qiáng)電路的適應(yīng)范圍。上述電路采用了兩級(jí)電壓跟隨器，主要是為了使負(fù)載接地，避免兩端浮空。在工業(yè)應(yīng)用上，電流輸出與輸入的接地點(diǎn)不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)對(duì)地電壓不同，產(chǎn)生一定的電勢(shì)差，從而使輸出的電流與輸入的電流有較大的差別，所以使負(fù)載接地是十分必要的?？紤]到大多數(shù)常用的運(yùn)算放大器輸出電流并不大，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)，用三極管可以進(jìn)行擴(kuò)流輸出[3,4]。這樣流過(guò)負(fù)載的電流不再由運(yùn)放直接提供，而是由三極管將運(yùn)放輸出放大后的電流來(lái)提供，可以提高整個(gè)電路的帶負(fù)載能力，擴(kuò)大電路的適用范圍。

1.2 恒流輸出的精度分析

上述設(shè)計(jì)電路在理想狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出，而實(shí)際的電路會(huì)受到元器件精度的影響。為了提高輸出電流的精度和穩(wěn)定性，根據(jù)上述設(shè)計(jì)電路可知：負(fù)載電流IL的精度主要受Vout以及Ro精度的影響。Vout輸出電壓通過(guò)DAC的基準(zhǔn)電壓Vref來(lái)校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)較高的精度，Ro則需要選擇精度較高的電阻。此外，根據(jù)電壓跟隨的原理，R1 = R2時(shí)，Ro兩端的電勢(shì)差就等于Vout，所以R1與R2最好也選用高精度的電阻，使兩者的阻值盡量一致，以保證兩者分壓相同。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)電路的分析，選擇合適的基準(zhǔn)電壓和高精度采樣電阻可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的高精度電流輸出信號(hào)[5]。在工業(yè)應(yīng)用上，4mA～20mA電流信號(hào)的使用范圍比較普遍，而在電路設(shè)計(jì)中，5V基準(zhǔn)電壓也比較容易獲得，所以根據(jù)IL= Vout / Ro可知，當(dāng)基準(zhǔn)電壓為5V，選擇250Ω高精度電阻輸出時(shí)，使輸出的Vout為5V，此時(shí)負(fù)載上的電流為20mA；使輸出的Vout為1V，此時(shí)負(fù)載上的電流為4mA。輸出電壓與負(fù)載電流為成線性的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)4mA～20mA高精度電流信號(hào)的輸出。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)試，得到了圖2的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，實(shí)際測(cè)量的輸出電壓和負(fù)載電流的線性關(guān)系很好，實(shí)際的絕對(duì)誤差也非常小，精度全部在千分之一以上，表明了此設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的要求。

圖2 輸出電壓Vout和負(fù)載電流IL的變化關(guān)系Fig.2 The relationship between the output voltage Vout and the load current IL

1.3 恒流輸出的瞬態(tài)響應(yīng)分析

上述設(shè)計(jì)將輸出電壓通過(guò)運(yùn)算放大器、三極管等多個(gè)元器件轉(zhuǎn)換成電流輸出，電流輸出信號(hào)在電力系統(tǒng)的實(shí)際使用中，通常涉及到很多調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，所以在這個(gè)過(guò)程中，電流對(duì)電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也非常重要，決定著動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的質(zhì)量。

從圖3中可以看出，當(dāng)電壓信號(hào)輸出時(shí)，電流信號(hào)響應(yīng)的非常快，與電壓信號(hào)幾乎同時(shí)響應(yīng)，沒(méi)有響應(yīng)延遲的情況出現(xiàn)。當(dāng)電壓信號(hào)消失時(shí)，電流信號(hào)響應(yīng)有一點(diǎn)滯后于電壓信號(hào)，約10ms后，電流處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?jiàn)電流信號(hào)在下降沿的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不如上升沿響應(yīng)得快。

圖3 負(fù)載電流IL對(duì)輸出電壓Vout的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.3 Dynamic response of load current IL to output voltage Vout

電路設(shè)計(jì)中電容起到了濾波的作用，可以有效增強(qiáng)電路的抗干擾能力，但是與此同時(shí)，電容也有充放電的作用。當(dāng)電壓信號(hào)輸出時(shí)，電路中的電壓主要利用運(yùn)算放大器的原理，使采樣電阻兩端得到了5V的電壓，電容在這個(gè)過(guò)程中充電，但是沒(méi)有影響到采樣電阻兩端的電勢(shì)差，所以電流響應(yīng)的速度非?？?。當(dāng)電壓輸出信號(hào)消失時(shí)，電流應(yīng)該迅速消失，但是由于電容充放電的作用，電容會(huì)在極短的時(shí)間給電路供電，電流信號(hào)出現(xiàn)幾毫秒內(nèi)逐漸消失的現(xiàn)象。

2 可靠性設(shè)計(jì)

電流輸出信號(hào)在工業(yè)領(lǐng)域上運(yùn)用非常廣泛，而且極其重要，尤其是在電力系統(tǒng)行業(yè)，電流輸出信號(hào)經(jīng)常用于傳輸機(jī)組負(fù)荷、調(diào)門開(kāi)度、電機(jī)頻率等重要信號(hào)，這些信號(hào)一旦出現(xiàn)較大偏差或者丟失，對(duì)于發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)會(huì)造成非停等事故，所以保證信號(hào)的可靠穩(wěn)定非常重要。

2.1 斷線檢測(cè)設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)中，機(jī)組負(fù)荷、調(diào)門開(kāi)度等模擬信號(hào)幾乎時(shí)刻保持著輸出的狀態(tài)，一旦信號(hào)丟失，會(huì)導(dǎo)致調(diào)門快速關(guān)閉，協(xié)調(diào)控制錯(cuò)誤響應(yīng)等現(xiàn)象的發(fā)生，極大地影響機(jī)組的運(yùn)行。如果運(yùn)行人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的來(lái)源，持續(xù)一段時(shí)間會(huì)導(dǎo)致機(jī)組非停等事故。所以電流信號(hào)的中斷需要及時(shí)反饋給上位，以減少對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的影響。為了增強(qiáng)電流輸出電路的可靠性[6]，如圖4所示，在負(fù)載和地之間接入斷線檢測(cè)電路，以檢測(cè)電流回路是否通暢。

圖4 可靠性設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Schematic diagram of reliability design

斷線檢測(cè)電路采取了過(guò)零比較的方式檢測(cè)電流是否存在。比較器的一端連接在負(fù)載和地之間，負(fù)載到地之間的線阻等效為一個(gè)較小的電阻，使得比較器這一端（負(fù)載-地端）對(duì)地存在著一個(gè)比較小的非零電勢(shì)。比較器的另一端接在兩個(gè)串聯(lián)電阻之間，在這一端（電阻端）通常電阻R1>>R2，使得電阻端的對(duì)地電勢(shì)差略大于負(fù)載-地端。當(dāng)電流輸出回路處于正常的導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，比較器電阻端的電壓略高于負(fù)載-地端的電壓，比較器輸出一個(gè)高電平信號(hào)；當(dāng)電流輸出回路處于斷路狀態(tài)時(shí)，回路中沒(méi)有電流，比較器電阻端的電壓勢(shì)必會(huì)低于負(fù)載-地端的電壓，比較器輸出的電平信號(hào)由高變?yōu)榈?。上位可以通過(guò)電平信號(hào)的變位來(lái)判斷電流輸出回路的通斷，由此實(shí)現(xiàn)斷線檢測(cè)的功能，及時(shí)反映出電流信號(hào)的狀態(tài)。

2.2 控制開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)中，電流輸出信號(hào)控制著調(diào)門開(kāi)度、機(jī)組負(fù)荷等重要的調(diào)節(jié)信號(hào)，信號(hào)的準(zhǔn)確性非常重要，偏差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致超調(diào)、過(guò)調(diào)等現(xiàn)象的出現(xiàn)，影響機(jī)組的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組非停。所以，當(dāng)電流輸出信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，先斷開(kāi)電流回路以避免錯(cuò)誤的指令輸出，比較安全。

在電流轉(zhuǎn)換輸出電路和外界的負(fù)載之間加入一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)可以采用光耦去控制，光耦發(fā)射器的一端拉高至5V，另一端與控制器（DPU）的控制端相連。正常狀態(tài)下，控制端處于低電平，使光耦導(dǎo)通，電流輸出回路處于通路狀態(tài)；當(dāng)處于某些異常狀態(tài)時(shí)，控制端的電壓被拉高，光耦不再導(dǎo)通，從而使控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電流輸出回路也處于斷路狀態(tài)。

電流輸出的異常狀態(tài)存在著多種情況，在不同狀態(tài)下，電流是否要繼續(xù)保持輸出要視具體情況而定。在出現(xiàn)斷電后恢復(fù)或者人為拔插的時(shí)候，在重現(xiàn)上電之后，如果控制器未檢測(cè)到電流輸出電路的異常，那么斷開(kāi)電流輸出信號(hào)是沒(méi)有必要的行為，不僅會(huì)增加系統(tǒng)恢復(fù)的時(shí)間和步驟，降低時(shí)效性和快速響應(yīng)能力，也會(huì)產(chǎn)生輸出從無(wú)到有的一個(gè)擾動(dòng)，所以這種情況下不需要斷開(kāi)控制開(kāi)關(guān)。

當(dāng)電路與控制器發(fā)生通訊中斷時(shí)，上位下達(dá)的模擬量指令無(wú)法再傳遞給電流輸出電路，此時(shí)如果切斷電流信號(hào)的輸出，可能會(huì)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的擾動(dòng)，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，所以采用保持當(dāng)前電流輸出的方式更為合理。上位則可以通過(guò)通訊報(bào)警來(lái)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的問(wèn)題，保持對(duì)電流輸出這個(gè)小系統(tǒng)的相對(duì)無(wú)擾。

在通訊故障問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)后，對(duì)電流輸出以及其相對(duì)應(yīng)的通訊模件進(jìn)行檢查或者更換時(shí)，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)斷電重啟的操作，斷電后電路中的電流信號(hào)也會(huì)消失。這一系列操作都是在滿足更換條件下進(jìn)行的，不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生干擾。在更換了新的模件，重新上電之后，如果電路沒(méi)有恢復(fù)到正常的狀態(tài)，此時(shí)電路中產(chǎn)生的電流很有可能并不是上位指令產(chǎn)生的，所以不適合將此時(shí)的電流信號(hào)輸出出去。這時(shí)控制開(kāi)關(guān)將中斷電流的輸出信號(hào)，提示上位問(wèn)題尚未解決。

3 結(jié)語(yǔ)

一種安全可靠的可調(diào)電流輸出在控制和測(cè)量領(lǐng)域極其重要。依據(jù)本文的這種方法，通過(guò)改變采樣電阻的阻值使得輸出電流不局限于4mA～20mA，而且利用斷線檢測(cè)和控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流輸出安全可靠的控制，及時(shí)提示線路斷線，阻止異常狀態(tài)下電流的輸出，對(duì)于恒流源的發(fā)展具有相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的意義。