一种模拟量输入输出混合电路

技术领域

本发明属于电路技术领域，具体涉及一种模拟量输入输出混合电路。

背景技术

工业控制领域模拟信号通常有4-20mA和0-10V的输入输出。现有技术中，常用的输入输出信号处理电路是针对每种模拟信号设计单独的信号处理电路，同一信号端子只能是模拟信号输入或者模拟信号输出，面对复杂的工业现场环境，现有的模拟信号处理电路缺乏灵活性，无法适应复杂的工业现场的需要，且容错性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟量输入输出混合电路，用于解决现有技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种模拟量输入输出混合电路，包括：输入输出端子、输入输出切换电路、输入衰减电路、输出放大电路以及MCU主控电路；所述输入输出端子与所述输入输出切换电路连接，所述输入输出切换电路还分别与所述输入衰减电路、所述输出放大电路以及所述MCU主控电路连接，所述输入衰减电路和所述输出放大电路还分别与所述MUC主控电路连接。

作为一种可能的设计，所述输入输出端子包括可接入输入信号或输出信号的信号对接端子以及接地的GND端子，所述信号对接端子和所述GND端子分别与所述输入输出切换电路连接。

作为一种可能的设计，所述输入输出切换电路包括单刀双掷开关U2，所述单刀双掷开关U2公共端的COM脚与所述信号对接端子连接，所述单刀双掷开关U2的GND脚与所述GND端子连接，所述单刀双掷开关U2的V+脚接入电压电源，所述单刀双掷开关U2的V-脚接地，所述单刀双掷开关U2的常闭端NC脚与所述输入衰减电路连接，所述单刀双掷开关U2的常开端NO脚与所述输出放大电路连接，所述单刀双掷开关U2的切换管脚IN脚与所述MCU主控电路连接。

作为一种可能的设计，所述输入衰减电路包括第一运算放大器U3A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；所述第一电阻R1的第一端与所述单刀双掷开关U2的常闭端NC脚连接，所述第一电阻R1的第二端分别与所述第一运算放大器U3A的同相输入端以及所述第二电阻R2的第一端电连接，所述第二电阻R2的第二端接地，所述第三电阻R3的第一端与所述第一运算放大器U3A的反相输入端连接，所述第三电阻R3的第二端接地，所述第四电阻R4的第一端与所述第一运算放大器U3A的反相输入端连接，所述第四电阻R4的第二端与所述第一运算放大器U3A的输出端连接，所述第一运算放大器U3A的输出端还与所述MCU主控电路连接。

作为一种可能的设计，所述输出放大电路包括第二运算放大器U3B、第五电阻R11、第六电阻R22、第七电阻R33以及第八电阻R44；所述第五电阻R11的第一端与所述MCU主控电路电连接，所述第五电阻R11的第二端分别与所述第二运算放大器U3B的同相输入端以及所述第六电阻R22的第一端连接，所述第六电阻R22的第二端接地，所述第七电阻R33的第一端与所述第二运算放大器U3B的反相输入端连接，所述第七电阻R33的第二端接地，所述第八电阻R44的第一端与所述第二运算放大器U3B的反相输入端连接，所述第八电阻R44的第二端与所述第二运算放大器U3B的输出端连接，所述运算放大器U3B的输出端还与所述单刀双掷开关U2的常开端NO脚连接。

作为一种可能的设计，所述MCU主控电路包括MCU芯片，所述MCU芯片的DAC_OUT1脚与所述第五电阻R11的第一端连接，所述MCU芯片的DAC_IN1脚与所述第一运算放大器U3A的输出端连接，所述MCU芯片的GPIO1信号脚与所述单刀双掷开关U2的切换管脚IN脚连接。

作为一种可能的设计，所述信号对接端子接入的输入信号或输出信号的信号类型均为0～10V的电压信号。

作为一种可能的设计，所述MCU主控电路可识别的信号为0～3.3V的电压信号。

作为一种可能的设计，所述单刀双掷开关为高电压切换开关，型号为DG469。

作为一种可能的设计，所述第一运算放大器U3A和所述第二运算放大器U3B的型号均为LM2904。

有益效果：

1.本发明通过MCU主控电路切换信号输入输出类型并接收处理输入输出信号，使得同一输入输出端子既能对接信号输入设备，采集模拟信号，也能对接执行设备，给执行设备输出模拟信号，而无需针对输入或输出信号分别设计信号处理电路，方便灵活，容错性强。

2.本发明通过输入衰减电路控制模拟信号的衰减运算，将输入输出端子接收的输入信号转换为MCU主控电路可识别的电压信号，实现信号输入；通过输入放大电路将经MCU主控电路处理后的电压信号放大后发送至输入输出端子，实现信号输出。使得同一输入输出端子既能接收模拟信号，又能输出模拟信号，通过输入输出端子的灵活复用，可适用于复杂的工业现场环境。

附图说明

图1为本发明提供的一种模拟量输入输出混合电路的电路图；

其中，1-输入输出端子；2-输入输出切换电路；3-输入衰减电路；4-输出放大电路；5-MCU主控电路。

具体实施方式

实施例

如图1所示，本实施例中的模拟量输入输出混合电路，包括：输入输出端子1、输入输出切换电路2、输入衰减电路3、输出放大电路4以及MCU主控电路5；所述输入输出端子1与所述输入输出切换电路2连接，所述输入输出切换电路2还分别与所述输入衰减电路3、所述输出放大电路4以及所述MCU主控电路5连接，所述输入衰减电路3和所述输出放大电路4还分别与所述MUC主控电路5连接。

在本申请实施例中，需要说明的是，所述输入输出端子1接入的输入信号或输出信号的信号类型均为0～10V电压信号，所述MCU主控电路可识别的信号为0～3.3V电压信号。其中，输入衰减电路2控制模拟电压信号的衰减运算，将0～10V的电压信号转换为所述MCU主控电路可以识别的0～3.3V电压信号，输出放大电路3控制模拟电压信号的放大运算，将MCU主控电路输出的0～3.3V电压信号转换为对应的0～10V电压信号；其中，所述MCU主控电路5用于切换输入输出信号类型以及接收处理输入输出信号。

作为一种可能的设计，所述输入输出端子1包括可接入输入信号或输出信号的信号对接端子以及接地的GND端子，所述信号对接端子和所述GND端子分别与所述输入输出切换电路连接。其中，当所述输入输出端子1与信号输入设备连接时，例如与传感器连接时，可将输入信号发送至所述输入输出切换电路；当所述输入输出端子1与执行设备连接时，例如与执行器连接时，可以通过接收所述输入输出切换电路发送的模拟信号，将模拟信号输出至执行器。

作为一种可能的设计，所述输入输出切换电路2包括单刀双掷开关U2，所述单刀双掷开关U2公共端的COM脚与所述信号对接端子连接，所述单刀双掷开关U2的GND脚与所述GND端子连接，所述单刀双掷开关U2的V+脚接入电压电源，所述单刀双掷开关U2的V-脚接地，所述单刀双掷开关U2的常闭端NC脚与所述输入衰减电路3连接，所述单刀双掷开关U2的常开端NO脚与所述输出放大电路4连接，所述单刀双掷开关U2的切换管脚IN脚与所述MCU主控电路5连接。

其中，优选的，所述单刀双掷开关U2的供电电压为15V。

作为一种可能的设计，所述单刀双掷开关为高电压切换开关，型号为DG469，具体的，可以选用VISHAY公司的DG469。

作为一种可能的设计，所述输入衰减电路3包括第一运算放大器U3A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；所述第一电阻R1的第一端与所述单刀双掷开关U2的常闭端NC脚连接，所述第一电阻R1的第二端分别与所述第一运算放大器U3A的同相输入端以及所述第二电阻R2的第一端电连接，所述第二电阻R2的第二端接地，所述第三电阻R3的第一端与所述第一运算放大器U3A的反相输入端连接，所述第三电阻R3的第二端接地，所述第四电阻R4的第一端与所述第一运算放大器U3A的反相输入端连接，所述第四电阻R4的第二端与所述第一运算放大器U3A的输出端连接，所述第一运算放大器U3A的输出端还与所述MCU主控电路5连接。

作为一种可能的设计，所述输出放大电路包括第二运算放大器U3B、第五电阻R11、第六电阻R22、第七电阻R33以及第八电阻R44；所述第五电阻R11的第一端与所述MCU主控电路5电连接，所述第五电阻R11的第二端分别与所述第二运算放大器U3B的同相输入端以及所述第六电阻R22的第一端连接，所述第六电阻R22的第二端接地，所述第七电阻R33的第一端与所述第二运算放大器U3B的反相输入端连接，所述第七电阻R33的第二端接地，所述第八电阻R44的第一端与所述第二运算放大器U3B的反相输入端连接，所述第八电阻R44的第二端与所述第二运算放大器U3B的输出端连接，所述运算放大器U3B的输出端还与所述单刀双掷开关U2的常开端NO脚连接。

其中，优选的，所述第一运算放大器U3A和所述第二运算放大器U3B的供电电压为15V。

作为一种可能的设计，所述第一运算放大器U3A和所述第二运算放大器U3B的型号均为LM2904，具体的，所述第一运算放大器U3A和所述第二运算放大器U3B是一种通用运放，可选用TI公司的LM2904。

作为一种可能的设计，所述MCU主控电路5包括MCU芯片，所述MCU芯片的DAC_OUT1脚与所述第五电阻R11的第一端连接，所述MCU芯片的DAC_IN1脚与所述第一运算放大器U3A的输出端连接，所述MCU芯片的GPIO1信号脚与所述单刀双掷开关U2的切换管脚IN脚连接。

在本申请实施例中，需要说明的是，当所述输入输出端子1外接信号输入设备时，所述模拟量输入输出混合电路处于模拟输入工作状态，此时输入输出端子1的输入电压信号为0～10V，所述MCU芯片的GPIO1脚输出低电平信号至所述单刀双掷开关U2的切换管脚IN脚，所述公共端COM脚和所述常闭端NC脚导通，将所述输入电压信号发送至所述输入衰减电路3，所述输入衰减电路3将所述输入电压信号衰减至所述MCU主控电路可识别的0～3.3V电压信号，其中，所述输入衰减电路3的第一运算放大器U3A的输出D端电压UO与输入电压UI的关系为：UO＝R2*(R3+R4)/【R3*(R1+R2)】*UI，所述第一运算放大器U3A的输出电压AIN1作为所述MCU主控电路的ADC信号输入传递至ADC_IN1脚，根据MCU主控电路内部的ADC模块可以计算得出AIN1，从而确定输入电压U1的值。

作为本申请实施例的一个验证例，其中，所述第一电阻R1和所述第三电阻R3的阻值选择33KΩ，所述第二电阻R2和所述第四电阻R4的电阻选择10KΩ，则所述第一运算放大器U3A的输入输入电压关系推导过程如下：根据虚短虚断，Up＝Un，Up＝UI*R2/(R1+R2)；Un＝UO*R3/(R3+R4)；可得UO＝R2/R3*UI＝UI/3.3，则UI范围为0～10V的时候，UO范围包含在3.3V以内，符合所述MCU主控电路的ADC输入要求。

在本申请实施例中，需要说明的是，当所述输入输出端子1外接执行器时，所述模拟量输入输出混合电路处于模拟输出工作状态，此时输入输出端子1的输出电压信号为0～10V，所述所述MCU芯片的GPIO1脚输出高电平信号至所述单刀双掷开关U2的切换管脚IN脚，所述公共端COM脚和所述常开端NC脚导通，此时所述MCU芯片的GPIO1脚输出高电平信号至所述第二运算放大器U3B的正相输入端，此时所述MCU芯片的输出电压DAC_OUT1作为所述第二运算放大器U3B的输入，所述所述第二运算放大器U3B的输出电压UO与输入电压UI关系为：UO＝R22*(R33+R44)/【R33*(R11+R22)】*UI。

作为本申请的一个验证例，其中，所述第五电阻R11和所述第七电阻R33的阻值选择10KΩ，所述第六电阻R22和所述第八电阻R44的电阻选择33KΩ，则所述第二运算放大器U3B的输入输入电压关系推导过程如下：根据虚短虚断，Up＝Un，Up＝UI*R22/(R11+R22)；Un＝UO*R33/(R33+R44)；可得UO＝R22/R33*UI＝3.3*UI，UI范围为所述MCU主控电路的DAC输出的0～3.3V的时候，UO范围为0～10V，符合所述输入输出端子输出模拟量的电压要求。

本申请实施例通过MCU主控电路5切换信号输入输出类型并接收处理输入输出信号，使得同一输入输出端子1既能对接信号输入设备，采集模拟信号，也能对接执行设备，给执行设备输出模拟信号，而无需针对输入或输出信号分别设计信号处理电路，方便灵活，容错性强。

本申请实施例通过输入衰减电路3控制模拟信号的衰减运算，将输入输出端子接收的输入信号转换为MCU主控电路5可识别的电压信号，实现信号输入；通过输入放大电路4将经MCU主控电路5处理后的电压信号放大后发送至输入输出端子1，实现信号输出。使得同一输入输出端子1既能接收模拟信号，又能输出模拟信号，通过输入输出端子的灵活复用，可适用于复杂的工业现场环境。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。