阅读说明：本技术 现场总线电源调节器电路 (Fieldbus power regulator circuit ) 是由 陈宇 王文辉 段汝良 陈凌霄 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种现场总线电源调节器电路,包括：第一电源和运算放大器；第一电源的正极外接外部电源；三极管的发射极外接第一电源的负极；第一电阻的一端同时连接至三极管的集电极和运算放大器的一个输入端；电容调节模块具有第一输入端、第二输入端和用于外接总线的输出端；第一电容调节模块用于增加低频信号下的电感量；其中,第一输入端用于外接第一电阻的另一端；以及第二电阻一端连接至第一电源的负极,另一端同时连接至运算放大器的另一个输入端和第二输出端；其中所述运算放大器的输出端连接至三极管的基极。本发明使得通信信号jitter较小、信号带宽内的增益平坦度较好。(The invention provides a field bus power supply regulator circuit, comprising: a first power supply and an operational amplifier; the positive electrode of the first power supply is externally connected with an external power supply; the emitting electrode of the triode is externally connected with the negative electrode of the first power supply; one end of the first resistor is simultaneously connected to the collector of the triode and one input end of the operational amplifier; the capacitance adjusting module is provided with a first input end, a second input end and an output end for externally connecting a bus; the first capacitance adjusting module is used for increasing inductance under low-frequency signals; the first input end is externally connected with the other end of the first resistor; one end of the second resistor is connected to the negative electrode of the first power supply, and the other end of the second resistor is simultaneously connected to the other input end and the second output end of the operational amplifier; the output end of the operational amplifier is connected to the base electrode of the triode. The invention makes the communication signal jitter smaller and the gain flatness in the signal bandwidth better.)

现场总线电源调节器电路

技术领域

本发明涉及自动化控制系统领域，具体涉及一种现场总线电源调节器电路。

背景技术

目前，在工业自动化领域，控制系统是实现工业自动化的核心装置，现场总线控制系统FCS是其中的一种。在现场总线控制系统中，FF现场总线和Profibus-PA是FCS市场上主流的两种现场总线系统，占比95％以上。而FF现场现场总线与Profibus-PA对信号传输的物理层一致性的要求是相同的。

在这种现场总线系统中，一个基本H1网段的组成需要至少三种辅助设备：电源、调节器、终端器。终端器的典型值是100Ω与1uF，跨接在总线上，一个放置在近端，另一个放置在远端，将总线上的阻抗控制在50Ω。接口电路(信号发生电路)会在总线上调制一个大小为±10mA的31.25K的交流电流信号，经总线上终端器的转化，转变成一个幅值为1V的交变电压。这样就得到了总线上传输的一个频率为31.25K且幅值为1V的交变电压信号。

总线上不仅要实现信号的传输，更要提供现场设备所需的电源，因此总线的一端必须接入一个标称24VDC电源。但不能将一个普通的直流电源直接接入总线，因为直流电源交流阻抗非常小，若直接接入总线，那么总线上调制的交流电流将大部分流向交流阻抗较小的电源，而不是终端器。直流电源为了保持恒压会吸收现场总线信号，总线上得不到所需的交变电压，无法实现总线信号的传输。

为了避免上述情况的发生，配电电源和H1网段之间必须设置FF调节器，对直流供电电源进行调整，阻止通信信号进入稳压电源内，它将把对现场总线信号呈现低阻抗的电源调整为高阻抗，从而达到阻止现场总线的交流信号进入电源的目的。目前常用调节器为无源调节器和有源调节器。

其中，有源调节器的基本思想是用有源电路去模拟一个电感和一个电阻，现有的方案是利用Gyrator(回转器)来实现的，其电路拓扑如图1所示。图中U1为运算放大器，Q1为三极管、R1和R2为电阻、C1为电容，Vref(参考电压)为参考于电源负端的恒定电平。这几个器件组合的电路满足深度负反馈，其中Q1两端的压降和Vref的电压相同。

假设电阻R1左端的电压为U，在这个节点上形成的电流为I。其中，R1上的电流为I1，C1上的电流为I2,那么有：

U＝I₁*R₁+I₁*R₂-----------b)

那么，由公式a)和公式b)可以得到以下关系

电感的感抗为：

X_L＝2πfL-----------d)

由上式可知，频率f一定时，电感量L越大，其感抗越大。由此可得出改进的措施：增大低频信号下的电感量L。

在当R1*C1*w<<1的时候，可以认为，其中,L＝R1*R2*C1。也就是说，上述电路的交流通路相当于一个电阻R1和一个电感L(大小为R1*R2*C1)的串联。其阻抗参数控制不理想，总线上对高、低频信号的阻抗不一致(高频阻抗正常，低频阻抗过小)。如图1所示，对于调节器的阻抗来说：当信号为高频时，电感是起主要作用的，感抗对调节器阻抗的贡献最大，感抗足够大，那调节器的阻抗也足够大，此时高频阻抗是正常的；而当信号为低频时，电感感抗的贡献变小，电阻阻抗的贡献变大，若此时调节器的阻抗表现为低频阻抗过小，那么就需要增大感抗或阻抗。但是，调节器的特性决定了电阻不能随意增大，因此只能通过增大感抗的手段来提高调节器的低频阻抗。最终导致现有的有源调节器方案在性能上与理想调节器有较大差距，与理想调节器相比，通信信号jitter(jitter是指信号脉宽与标准值的偏差)更大、信号增益平坦度较差(总线上要求在3KHz～39KHz的信号范围内，其传输幅度基本一致)。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种现场总线电源调节器电路，解决了现有的有源调节器的高频阻抗是正常，但低频阻抗过小的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种现场总线电源调节器电路，包括：一第一电源；所述第一电源的正极外接外部电源；

一运算放大器；

一三极管；所述三极管的发射极外接第一电源的负极；

一第一电阻；所述第一电阻的一端同时连接至三极管的集电极和运算放大器的一个输入端；

一电容调节模块，电容调节模块具有第一输入端、第二输入端和用于外接总线的输出端；所述第一电容调节模块用于增加低频信号下的电感量；其中，所述第一输入端用于外接第一电阻的另一端；以及

一第二电阻；所述第二电阻一端连接至第一电源的负极，另一端同时连接至运算放大器的另一个输入端和第二输出端；其中所述运算放大器的输出端连接至三极管的基极。本发明采用电容调节模块可有效增加电感器在低频信号下的电感量L，进而增加调节器的低频阻抗；最终使得通信信号jitter较小、信号带宽内的增益平坦度较好。

优选的，所述电容调节模块包括并联的第一电容支路和第二电容支路，所述第一电容支路包括第一电容，所述第二电容支路包括依次串联的第二电容和第三电阻；所述第二电容的电容量大于第一电容的电容量。本发明的电容C1上并联了一个电阻R3和一个电容C2，C2＞C1。C1、C2、R3组成了一个新的电路结构，而这个电路结构对不同频率的所响应出来的电容值是不同的，因此可以改变调节器在不同频率下的电感量L。在图2中，当信号为高频时，R3＞＞X_C1，故I2<<I1，电流绝大部分流过电容C1，回路中起主要作用的是C1，此时依旧有电感量L1≈R1*R2*C1；但当信号为低频时，X_C1＞X_C2＞＞R3，故I2>I1，电流大部分流过R3和C2，回路中起主要作用的是C2，此时L2≈R1*R2*C2，则L2＞L1，即增大了低频电感量。本发明的电路结构可有效增加电感器在低频信号下的电感量L，进而增加调节器的低频阻抗。

优选的，所述第二电容一端连接至第三电阻，所述第二电容另一端同时连接至第二电阻、运算放大器的反向输入端和第一电容。

优选的，所述第一电容一端连接至同时连接至第一电阻、第三电阻和输出总线，另一端同时连接至第二电阻、运算放大器的反向输入端。

优选的，所述现场总线电源调节器电路还包括第二电源，所述第二电源一端连接至三极管的发射极，另一端连接至第二电阻的正极一端。

优选的，所述三极管为NPN型。

优选的，所述运算放大器采用模拟运算放大器。

(三)有益效果

本发明提供的一种现场总线电源调节器电路，其具有以下优点：

1、本发明采用电容调节模块可有效增加电感器在低频信号下的电感量L，进而增加调节器的低频阻抗；最终使得通信信号jitter较小、信号带宽内的增益平坦度较好。

附图说明

图1是现有的的现场总线电源调节器电路的拓扑结构图；

图2是本发明的现场总线电源调节器电路实施例1的拓扑结构图。

1、第一电源，2、第二电源，3、运算放大器，4、三极管，5，第一电阻、6、第二电阻，7、电容调节模块，8、第二输入端，9、输出端，10、第一电容支路，11、第二电容支路，12、第一电容，13、第二电容，14、第三电阻，15、第一输入端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接至”应做广义理解，例如，可以是固定连接至，也可以是可拆卸连接至，或一体地连接至；可以是机械连接至，直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1和图2所示，本发明提供的一种现场总线电源调节器电路，本发明提供的一种现场总线电源调节器电路，包括：第一电源1、第二电源2、运算放大器3、NPN型三极管4、第一电阻5、第二电阻6、电容调节模块7；其中，所述运算放大器采用模拟运算放大器。

所述第一电源的正极外接外部电源；所述三极管的发射极外接第一电源的负极；所述第一电阻的一端同时连接至三极管的集电极和运算放大器的一个输入端；所述第二电源一端连接至三极管的发射极，另一端连接至第二电阻的正极一端。

电容调节模块具有第一输入端15、第二输入端8和用于外接总线的输出端9；所述第一输入端用于外接第一电阻的另一端；所述电容调节模块包括并联的第一电容支路10和第二电容支路11，所述第一电容支路包括第一电容12，所述第二电容支路包括依次串联的第二电容13和第三电阻14；所述第二电容的电容量大于第一电容的电容量。所述第二电容一端连接至第三电阻，所述第二电容另一端同时连接至第二电阻、运算放大器的反向输入端和第一电容。

所述第二电阻一端连接至第一电源的负极，另一端同时连接至运算放大器的另一个输入端和第二输出端；其中所述运算放大器的输出端连接至三极管的基极。本发明采用电容调节模块可有效增加电感器在低频信号下的电感量L，进而增加调节器的低频阻抗；最终使得通信信号jitter较小、信号带宽内的增益平坦度较好。所述第一电容一端连接至同时连接至第一电阻、第三电阻和输出总线，另一端同时连接至第二电阻、运算放大器的反向输入端。

本实施例实施时，在电容C1上并联了一个电阻R3和一个电容C2，C2＞C1。C1、C2、R3组成了一个新的电路结构，该电路结构对不同频率的所响应出来的电容值是不同的，因此可以改变调节器在不同频率下的电感量L。当信号为高频时，R3＞＞X_C1，故I2<<I1，电流绝大部分流过电容C1，回路中起主要作用的是C1，此时依旧有电感量L1≈R1*R2*C1；但当信号为低频时，X_C1＞X_C2＞＞R3，故I2>I1，电流大部分流过R3和C2，回路中起主要作用的是C2，此时L2≈R1*R2*C2，则L2＞L1，即增大了低频电感量。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接至方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。