CN113938123A - 一种传感器信号输出电路及电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器信号输出电路及集成电路板，此输出电路包括运算放大单元、电压转频率单元、三极管Q1和恒流源单元；所述运算放大单元的输入端用于接收并放大传感器输出信号；所述电压转频率单元的输入端与运算放大单元的输出端相连，用于接收放大的传感器输出信号并转换为频率信号，所述电压转频率单元的输出端与所述三极管Q1的基极相连，用于驱动所述三极管Q1；所述三极管Q1、恒流源单元和负载依次串联。本发明具有结构简单、抗干扰能力强、带负载能力强等优点。

Description

一种传感器信号输出电路及电路板

技术领域

本发明主要涉及传感器技术领域，具体涉及一种传感器信号输出电路及电路板。

背景技术

在航空航天、兵器车辆、船舶等领域，很多报警类型的传感器(如压力报警、温度报警、车辆入水报警等传感器)需要同时给多个负载(分系统)提供信号，以便各分系统能够同时检测到报警信息，作出响应。这类传感器输出的通常是0-5V电压信号或者4-20ma电流信号，但是给多个负载提供信号时，电压信号会受到线缆长度影响，负载越多，输出电压偏离越大，而且易受到电磁干扰。电流信号给多个负载供电时，也会受到载荷阻抗的影响，如果载荷是串联的，电流信号带负载能力很有限，一般不超过2-3个；如果是载荷是并联的，传输的信号会引起很大的失真，同样不能给多个负载提供可靠信号。虽然RS485、CAN这类数字信号能够实现一主多从，同时给多个载荷提供信号，但在航空航天、兵器车辆、船舶的传感器上很少采用，一般都是采用模拟信号，保证通信的高可靠性。目前常用的电压、电流信号难以满足这种带多个负载、信号不失真、传输高可靠的需求。

公开的专利申请CN201610392517.9《一种二线制半双工多机通讯的电流环通讯系统》描述了一种信号输出电路，如图1所示：主站通过控制受控开关K1导通或截止进行发送数据，从站通过接收模块接收数据，此时依次通过电源正极、受控开关K2、通讯线Ⅰ、从站接收模块、通讯线Ⅱ、受控开关K1、GND组成电流环路Ⅰ；从站通过控制发送模块导通与截止进行发送数据，主站通过电流采样数据接收模块接收数据，此时依次通过电源正极、受控开关K2、通讯线Ⅱ、从站发送模块、通讯线Ⅰ、受控开关K3、电流采样数据接收模块、GND组成电流环路Ⅱ，所述受控开关K3和电流采样数据接收模块顺序可调；由此当数据由主站到从站和由从站到主站的传递时，分别在通讯线Ⅰ和通讯线Ⅱ上实现了两条方向相反的电流环路。

两条方向相反的电流环路分别用于实现数据由主站到从站和由从站到主站的传递，且在主站的直流电源通路上、数据发送通路上、以及数据接收通路上分别设置受控开关，从站的数量由直流电源的输出功率及三个受控开关的分断能力决定：即当多个从站并联接入两根通讯线时，若一主一从时流过电流环路的电流为I，则当从站数量为N且N>1时，主站发送数据时直流电源需要输出的电流为N×I；从站发送数据时，直流电源需要输出的电流为I。

上述专利申请中的技术方案虽然能够实现带多个电流环负载，但从站的数量由直流电源的输出功率及三个受控开关的分断能力决定：即当多个从站并联接入两根通讯线时，若一主一从时流过电流环路的电流为I，则当从站数量为N且N>1时，主站发送数据时直流电源需要输出的电流为N×I；从站发送数据时，直流电源需要输出的电流为I。其电流是受直流电源控制，实现直流电源电流自动调节控制比较复杂，和该系统配合需要附加电路和程序，大大提高了系统的复杂度，且不适合用于体积受限的传感器中。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种抗干扰能力强、带负载能力强的传感器信号输出电路及电路板。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种传感器信号输出电路，包括运算放大单元、电压转频率单元、三极管Q1和恒流源单元；所述运算放大单元的输入端用于接收并放大传感器输出信号；所述电压转频率单元的输入端与运算放大单元的输出端相连，用于接收放大的传感器输出信号并转换为频率信号，所述电压转频率单元的输出端与所述三极管Q1的基极相连，用于驱动所述三极管Q1；所述三极管Q1、恒流源单元和负载依次串联。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述恒流源单元包括三端稳压器和电阻模块，所述三端稳压器的输入端与所述负载相连，所述三端稳压器的输出端与所述电阻模块的一端相连，所述三端稳压器的接地端和电阻模块的另一端均与三极管Q1的集电极相连。

所述电阻模块包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2和电阻R3相互串联，所述电阻R3的一端与三端稳压器的输出端相连，所述电阻R3的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极相连。

还包括MOS管Q2，所述MOS管Q2的源极与电阻R3的一端相连，所述MOS管Q2的漏极与电阻R3的另一端相连。

还包括光耦U2和MOS驱动单元，所述光耦U2的输入端与多个并联负载中的某一负载串联，所述光耦U2的输出端与MOS驱动单元的输入端相连，所述MOS驱动单元的输出端与MOS管Q2的栅极和漏极相连。

所述光耦U2的输出端经滤波单元与MOS驱动单元的输入端相连。

所述滤波单元包括电阻R4和电容C1，所述光耦U2的输出端经电阻R4与MOS驱动单元的输入端相连，所述电容C1的一端与MOS驱动单元的输入端相连，另一端与光耦U2的接地端相连。

所述负载的电源VCC1与负载之间串联有电感L1。

所述电感L1并联有续流二极管D1，所述续流二极管D1的正极与电源VCC1相连，另一端与负载相连。

本发明还公开了一种集成电路板，包括如上所述的传感器信号输出电路。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的传感器输出电路能够同时调制频率和电流大小，负载端采用光耦接收信号，只需解调PWM频率信号就能得到传感器芯体的输出信号，与电流大小无关，只与频率相关，如此在负载增多时，传感器的信号不会失真，带负载能力得到很大提升；输出的频率与传感器芯体的输出电压成正比，通过解调频率大小来获取传感器芯体的输出信号，抗干扰能力强；另外采用恒流源单元，电流输出能力强。

本发明能够解决传感器同时给多个负载提供信号时，出现带负载能力不足，信号发生失真等问题。该电路能同时调节传感器输出信号频率和电流大小，传感器的信号只与频率相关而与电流大小无关，从而保证了传输信号不失真，增加了信号传输的可靠性；本发明尤其适应于飞行器、装甲车辆等需要同时给多个分系统提供可靠信号的场合，电路结构简单、信号抗干扰能力强。

附图说明

图1为现有技术中的信号输出电路原理图。

图2为本发明的电路在实施例的电路原理图。

图3为本发明在不同频率下负载上的电流波形图(未配置电感L1)。

图4为本发明在7kHz频率下负载上的电流波形图(配置有电感L1)。

图例说明：1、运算放大单元；2、电压转频率单元；3、恒流源单元；4、MOS驱动单元；5、滤波单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本实施例的传感器信号输出电路，包括运算放大单元1、电压转频率单元2、三极管Q1和恒流源单元3；运算放大单元1的输入端用于接收并放大传感器输出信号；电压转频率单元2的输入端与运算放大单元1的输出端相连，用于接收放大的传感器输出信号并转换为频率信号，电压转频率单元2的输出端与三极管Q1的基极相连，用于驱动三极管Q1；三极管Q1、恒流源单元3和负载依次串联。工作时，传感器芯体原始输出的微弱信号经过运算放大单元1进行放大后，进入电压转频率单元2(具体为电压转频率芯片)，电压信号转换成PWM频率信号，PWM频率信号驱动三极管Q1，使三极管Q1工作在开关状态，负载所在的回路传输的是PWM电流信号，在负载两端产生PWM电压信号，负载端采用光耦接收信号，解调PWM频率信号就能得到传感器芯体的输出信号。

本发明的传感器输出电路能够同时调制频率和电流大小，负载端采用光耦接收信号，只需解调PWM频率信号就能得到传感器芯体的输出信号，与电流大小无关，只与频率相关，如此在负载增多时，传感器的信号不会失真，带负载能力得到很大提升；输出的频率与传感器芯体的输出电压成正比，通过解调频率大小来获取传感器芯体的输出信号，抗干扰能力强；另外采用恒流源单元3，电流输出能力强。

在一具体实施例中，恒流源单元3包括三端稳压器U1和电阻模块，三端稳压器U1的输入端与负载相连，三端稳压器U1的输出端与电阻模块的一端相连，三端稳压器的接地端和电阻模块的另一端均与三极管Q1的集电极相连。通过三端稳压器组成恒流源单元3，电路结构简单。

在一具体实施例中，电阻模块包括电阻R2和电阻R3，电阻R2和电阻R3相互串联，电阻R3的一端与三端稳压器U1的输出端相连，电阻R3的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极相连。另外还包括MOS管Q2，MOS管Q2的源极与电阻R3的一端相连，MOS管Q2的漏极与电阻R3的另一端相连。

在MOS管Q2没有导通时，恒流源单元3的电流为：

其中Vr为三端稳压器内部的参考电压，电路中传输的是PWM电流信号；

当MOS管Q2导通时，恒流源单元3的电流增大至：

即通过对MOS管Q2的开关控制，从而实现恒流源电路的电流大小调节，从而适用于不同大小的负载中。

在一具体实施例中，还包括光耦U2和MOS驱动单元4，光耦U2的输入端与多个并联负载中的某一负载串联，光耦U2的输出端经滤波单元5与MOS驱动单元4的输入端相连，MOS驱动单元4的输出端与MOS管Q2的栅极和漏极相连。具体地，滤波单元5包括电阻R4和电容C1，光耦U2的输出端经电阻R4与MOS驱动单元4的输入端相连，电容C1的一端与MOS驱动单元4的输入端相连，另一端与光耦U2的接地端相连，其中光耦U2经电阻R5后接地。

具体地，假设电路能够带动n个负载，n个负载并联，负载增多时每一路负载上流过的电流也会减小，为了增大电路带负载能力，在接入第n/2个负载时，串入光耦U2，流过负载的PWM电流通过光耦U2在R5两端形成PWM电压信号，通过R4和C1构成的滤波单元5，转换成直流电压，经MOS驱动电路输出驱动信号，使得MOS管Q2导通，流过电路的总电流由i₁增大为i₂，增加了电路电流，增大了带负载能力。通过配置R2、R3以及负载的参数，可同时为20个以上的负载提供信号，且每个负载接受到信号都是没有失真的频率信号。

在一具体实施例中，负载的电源VCC1与负载之间串联有电感L1。其中L1电感的作用是削弱三极管Q1导通瞬间恒流源单元3的冲击电流，因为如果上电瞬间冲击电流过大，一般的三端稳压器组成的恒流源无法工作在几kHz以上的频率。当没有电感L1，三端稳压器(如LM117)，内部基准Vr＝1.25V，R2＝100Ω，MOS管Q2和三极管导通时，其恒流设计值为12.5ma，远端负载为10Ω时，在不同频率下测量远端负载上的电压即流过恒流源回路的电流，如图3所示：当三极管Q1的驱动频率为1kHz及以下时，流过回路的电流能达到设计值，12.5ma，但当频率上升至3kHz及以上时，流过回路的电流为2ma，远低于设计值，电流过小，电路的抗干扰能力不强。当加入L1电感后，三极管Q1驱动频率为7kHz及以上时，流过回路的电流能达到设计值，如图4所示，电路抗干扰能力得到很大的提升。

进一步地，电感L1并联有续流二极管D1，续流二极管D1的正极与电源VCC1相连，另一端与负载相连。其中续流二极管用于防止三极管Q1截止时电感L1的反向电压过高对电路中各器件造成损坏。

本发明还公开了一种集成电路板，其中集成电路板上封装有如上所述的传感器信号输出电路，同样具有如上输出电路所述的优点。

本发明能够解决传感器同时给多个负载提供信号时，出现带负载能力不足，信号发生失真等问题。该电路能同时调节传感器输出信号频率和电流大小，传感器的信号只与频率相关而与电流大小无关，从而保证了传输信号不失真，增加了信号传输的可靠性；本发明尤其适应于飞行器、装甲车辆等需要同时给多个分系统提供可靠信号的场合，电路结构简单、信号抗干扰能力强。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种传感器信号输出电路，其特征在于，包括运算放大单元(1)、电压转频率单元(2)、三极管Q1和恒流源单元(3)；所述运算放大单元(1)的输入端用于接收并放大传感器输出信号；所述电压转频率单元(2)的输入端与运算放大单元(1)的输出端相连，用于接收放大的传感器输出信号并转换为频率信号，所述电压转频率单元(2)的输出端与所述三极管Q1的基极相连，用于驱动所述三极管Q1；所述三极管Q1、恒流源单元(3)和负载依次串联。

2.根据权利要求1所述的传感器信号输出电路，其特征在于，所述恒流源单元(3)包括三端稳压器和电阻模块，所述三端稳压器的输入端与所述负载相连，所述三端稳压器的输出端与所述电阻模块的一端相连，所述三端稳压器的接地端和电阻模块的另一端均与三极管Q1的集电极相连。

3.根据权利要求2所述的传感器信号输出电路，其特征在于，所述电阻模块包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2和电阻R3相互串联，所述电阻R3的一端与三端稳压器的输出端相连，所述电阻R3的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极相连。

4.根据权利要求3所述的传感器信号输出电路，其特征在于，还包括MOS管Q2，所述MOS管Q2的源极与电阻R3的一端相连，所述MOS管Q2的漏极与电阻R3的另一端相连。

5.根据权利要求4所述的传感器信号输出电路，其特征在于，还包括光耦U2和MOS驱动单元(4)，所述光耦U2的输入端与多个并联负载中的某一负载串联，所述光耦U2的输出端与MOS驱动单元(4)的输入端相连，所述MOS驱动单元(4)的输出端与MOS管Q2的栅极和漏极相连。

6.根据权利要求5所述的传感器信号输出电路，其特征在于，所述光耦U2的输出端经滤波单元(5)与MOS驱动单元(4)的输入端相连。

7.根据权利要求6所述的传感器信号输出电路，其特征在于，所述滤波单元(5)包括电阻R4和电容C1，所述光耦U2的输出端经电阻R4与MOS驱动单元(4)的输入端相连，所述电容C1的一端与MOS驱动单元(4)的输入端相连，另一端与光耦U2的接地端相连。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的传感器信号输出电路，其特征在于，所述负载的电源VCC1与负载之间串联有电感L1。

9.根据权利要求8所述的传感器信号输出电路，其特征在于，所述电感L1并联有续流二极管D1，所述续流二极管D1的正极与电源VCC1相连，另一端与负载相连。

10.一种集成电路板，其特征在于，包括如权利要求1～9中任意一项所述的传感器信号输出电路。

Images