二進位量輸入電路的製作方法

2023-10-10 07:09:49 1

專利名稱：二進位量輸入電路的製作方法
技術領域：
本實用新型總體涉及輸入電路，尤其涉及一種用於向微控制單元提供二進位量輸入的輸入電路。
背景技術：
工業自動化控制過程中，常常先利用探測設備檢測並採集現場數據，再由高級的微處理器或微控制器對所採集的數據進行分析，最後根據分析結果控制相關設備執行相應的動作。這一過程可以應用在各種自動化控制系統中。以下將以電力系統中的數字繼電保護裝置為例描述這一過程。 圖I示例性地示出了數字繼電保護裝置的結構框圖。如圖I所示，繼電保護裝置 通常包括A/D採樣電路110、二進位輸入(BI =Binary Input)電路120、微處理器130、二進位輸出(BO :Binary Output)電路 140、通信單兀 150、人機接口(HMI :Human MachineInterface) 160以及電源模塊170。在實際應用中，為了能夠檢測電力系統中各個區段每相(phase)電的電壓和電流，A/D採樣電路110通常包括大量的電流互感器(CT :Current Transformer)、電壓互感器(PT !Potential Transformer)、以及模數轉換器(ADC Analogue to Digital Converter),以採集所需的電壓和電流數據。基於A/D採樣電路110收集的數據，微處理器130計算出電力系統的各個參數，例如電流、電壓、相序、功率等等，並且利用相關的保護算法來判斷電力系統中是否出現了故障。一旦發現故障，微處理器130就會通過BO電路140或者其它操作單元向電力系統中的相關斷路器發出脫扣信號。響應於該脫扣信號，相關斷路器執行相應的脫扣操作，並利用其操作機制斷開電源連接。這樣，就可以迅速切斷故障電路，而保持電力系統的其他部分正常運行。在上述過程中，繼電保護裝置除了利用A/D採用電路110監測、採集模擬量之外，還要利用BI電路120監控電力系統中各個外部繼電器的狀態，例如，斷路器的狀態(斷開、閉合或脫扣)以及隔離開關(Switch disconnector)的狀態(連接或分斷)。每個BI通道都需要連接到一個外部繼電器的觸點，例如斷路器的輔助觸點。這樣，通過檢測BI通道的輸入電壓就可以識別出與之連接的觸點的邏輯狀態。例如，如果BI通道的輸入電壓高於一個預定閾值，則表明觸點的邏輯狀態例如為「 1」，表示連接。反之，該觸點的邏輯狀態例如為「 O 」，表示分斷。然而，在實際的電力系統中，這些外部繼電器可能以不同的額定電壓供電，例如直流電壓24V、48V、60V、110V、125V、220V或250V，或者例如交流電壓115V或230V。這就要求BI電路的各個BI通道能夠接收不同額定電壓下的電壓輸入，並且相應地配置不同的閾值電壓。例如，如果某外部繼電器以Iiov直流供電，則對於邏輯「I」的輸入電壓而言，其閾值電壓應為直流88V。如果另一個外部繼電器以220V直流供電，則其邏輯「I」的閾值電壓應為直流176V。因此，BI電路需要一個能夠靈活地與現場實際需求匹配的BI通道。在2005年I月5日公開的、中國專利申請No. 200410014252. 6中公開了一種直流電壓開關量輸入狀態判斷模塊。這一開關量輸入狀態判斷模塊利用齊納二極體對輸入電壓進行閾值判斷，並利用三極體為充當電隔離元件的光耦提供恆定的工作電流。具體地，當輸入電壓低於閾值時，三極體截至，與三極體的集電極串聯的光耦不工作，模塊輸出為高電平。反之，當輸入電壓高於閾值時，三極體導通，光耦工作，模塊輸出為低電平。該判斷模塊因採用三極體做開關元件，模塊中需要為三極體布置相應的偏置電阻、限流電阻等多個元件。
實用新型內容本實用新型的一個目的在於提出一種新型的二進位輸入電路，其結構簡單且具有良好的穩定性和一致性。本實用新型的另一個目的在於提出一種新型的二進位輸入電路，其能夠靈活地與不同額定電壓供電的二進位輸入量相匹配。根據本實用新型一個方面，本實用新型提出了一種二進位量的輸入電路，其特徵在於該輸入電路包括輸入端，用於接收輸入電壓；輸出端，用於輸出第一邏輯電平或第二邏輯電平；判斷電路，耦合到所述輸入端，用於當所述輸入電壓高於一個預定閾值時輸出一有效電壓；線性穩壓器，其配置成恆壓源，且其輸入耦合到所述判斷電路的輸出，並在所述判斷電路的輸出為有效電壓時輸出一驅動電壓；電隔離元件，其輸入耦合到所述線性穩壓器的輸出，其輸出耦合到所述輸出端；其中，在所述線性穩壓器的輸出未達到所述驅動電壓時，所述電隔離元件輸出第一邏輯電平；在所述線性穩壓器的輸出為所述驅動電壓時，所述電隔離元件的輸出從第一邏輯電平切換到第二邏輯電平。其中，所述電隔離元件優選為光率禹。優選地，所述線性穩壓器至少包括穩壓器輸入端K、穩壓器輸出端A以及電壓反饋端VKEF。其中，所述電壓反饋端用於接收所述穩壓器輸出端A的輸出電壓Va的採樣值，以控制所述穩壓器輸出端A輸出一恆定的所述驅動電壓Vd。更為優選地，線性穩壓器通過串聯分壓電路配置成恆壓源。該串聯分壓電路耦合到所述穩壓器輸出端A，且所述電壓反饋端Vkef連接到所述串聯分壓電路的分壓點，其中所述串聯分壓電路中分壓電阻的大小決定了所述穩壓器輸出端A輸出的驅動電壓Vd的大小。由此，與現有的二進位輸入電路相比，本實用新型提出的利用線性穩壓器，且將線性穩壓器配置成恆壓源來驅動例如光耦的設計，結構簡單、元件數目少、成本低。而且，由於線性穩壓器具有限流功能，因而如此設計的輸入電路具有良好的穩定性和一致性。此外，由於將線性穩壓器配置成恆壓源不需要電容來進行濾波，因而上升時間得以降低。因此，總體上講，本實用新型提出的輸入電路能夠以低成本實現令人滿意的性能。可選地，根據本實用新型的輸入電路中的所述判斷電路可以包括一個齊納二極體D2，該齊納二極體的反向擊穿電壓為所述閾值電壓。可選地，所述判斷電路還可以包括兩個或兩個以上的齊納二極體，這些齊納二極體彼此串聯連接；至少一個旁路跳線開關，每一個旁路跳線開關跨接在一個所述齊納二極體的兩端，用於選擇性的旁路該齊納二極體。可選地，所述判斷電路可以串聯在所述輸入電壓的路徑中。由此，由於線性穩壓器具有較寬的輸入電壓範圍(例如從十幾伏到幾百伏)，因而在根據本實用新型的輸入電路中只需要利用跳線配置不同的閾值電壓就可以適應不同額定電壓供電下的二進位輸入量。此外，優選地，所述輸入電路還包括連接在所述輸入端和所述判斷電路之間的整流電路，其可以包括一個整流二極體或者是一個整流橋。其中整流橋可用於接收雙極性的輸入電壓。另外，優選地，所述輸入電路還包括低通濾波器，其耦合在所述電隔離元件的輸出和所述輸出端之間。利用低通濾波器可以濾除將要輸送給微處理器的信號中的高頻幹擾。更為優選地，所述輸入電路還包括耦合到所述輸出端的施密特觸發電路。利用施密特觸發電路可以對輸出的邏輯信號進行整形，並且施密特觸發電路中的遲滯功能可以進一步避免輸入電壓在閾值電壓附近的波動所帶來的不期望的幹擾。再者，為了給作為電隔離元件的光耦提供穩定的驅動，根據本實用新型的輸入電路優選地還包括一個儲能電容Cl，其耦合到所述線性穩壓器的輸出端A。更為優選地，該輸入電路還包括一個儲能電容C2，其耦合到所述判斷電路的輸出。儲能電容Cl和C2的作用是在電壓波動時，為後續電路提供瞬時電能，以增強整個電路的穩定性。·此外，本實用新型所提出的輸入電路可以應用在多種不同的工業控制領域。優選地，所述輸入電路可以用於數字保護繼電設備。

本實用新型的目的、特點、特徵和優點通過
以下結合附圖的詳細描述將變得更加顯而易見。其中圖I示出了現有技術中繼電保護裝置的結構框圖；圖2示例性地示出了根據本實用新型一個實施例的輸入電路的結構框圖；圖3示例性地示出了根據本實用新型另一個實施例的輸入電路的結構框圖；圖4示例性地示出了根據本實用新型另一個實施例的輸入電路的測試結果。
具體實施方式
以下將結合附圖描述本實用新型的各個實施例。通過以下描述，本實用新型的上述優勢將會更容易理解。圖2示例性地示出了根據本實用新型一個實施例的二進位量輸入電路的結構框圖。如圖2所示，二進位輸入電路200包括輸入端210(BI_IN和COM)、輸出端220、判斷電路230、線路穩壓器240、電隔離元件250。如圖2所示，輸入端210可以包括兩個端子81_爪_1和COM。其中可以連接到一個外部繼電器的觸點的一個引線，COM可以連接到該觸點的另一個引線。通常，COM可以作為不同輸入量的公共端，其一般為地(GOUND)。優選地，在輸入端的每個個端子所在路徑上還設置有限流電阻Rl和R2，以避免大電流損壞元件。圖2中的輸出端220用於連接到一個微處理器，以便將根據輸入端210的輸入電壓Vin識別出的邏輯電平(「I」或「O」)發送給微處理器。如前所述，由於輸入端210直接連接到外部繼電器，其輸入電壓Vin可能為例如額定直流電壓24V、48V、60V、110V、125V、220V或250V，或者例如交流電壓115V或230V。輸出端220因要連接到微處理器，其輸出電壓需要與微處理器的輸入電壓範圍相匹配，例如為0-5V。輸入電路200中的判斷電路230用於對來自輸入端210的輸入電壓Vin進行閾值判斷。可選地，在判斷電路230和輸入端210之間還可以設置一個整流電路，例如圖2所示的一個整流二極體D1，以免電流反向流動。在圖2所示的例子中，判斷電路230由一個串聯在輸入電壓路徑中的齊納二極體D2構成。齊納二極體D2的陰極連接到輸入端BI_IN_1。這樣，只有當輸入電壓Vin大於D2的閾值電壓Vth時，D2才會因被反向擊穿而導通，從而使得該輸入電壓Vin輸送到線性穩壓器240，即形成有效電壓Ve。例如，假設輸入電壓Vin來自以額定IlOV直流供電的外部繼電器，則D2可以選用閾值電壓Vth為88V的齊納二極體。這裡，齊納二極體還可以採用其他方式連接到輸入電路200中。例如D2可以與一個限流電阻串聯連接在輸入電壓路徑中，其效果與圖2所示例子基本相同。線性穩壓器240可以是普通的線性穩壓器，也可以是低壓差線性穩壓器(LDO =LowDropout Regulator)。線性穩壓器240是一種成本低、封裝小、外圍器件少且抗幹擾的降壓元件。此外，線性穩壓器240的輸入電壓範圍較寬，以Supertex公司的線性穩壓器LR8為例，其輸入電壓範圍在例如13. 2V 450V之間。另外，由於線性穩壓器一般配有限流功能，因而其穩定性和一致性較好。線性穩壓器240 —般包括至少三端，即穩壓器輸入端K、穩壓 器輸出端A以及一個電壓反饋端(也稱作調節端)VKEF。其中穩壓器輸入端K的輸入電壓Vk需要大於穩壓器輸出端A的輸出電壓VA。Vkef用於獲得輸出反饋，即Va的大小。根據採樣的^，穩壓器240在其內部控制一個調整管(工作在線性工作區)的管壓降，從而提供穩定的輸出Va。在本實用新型的實施例中，線性穩壓器240均配置成一個恆壓源。圖2給出了一個最簡單的恆壓源配置的例子，即，在穩壓器輸出端A耦合一串聯分壓電路241。串聯分壓電路241可以包括多個串聯電阻。串聯分壓電路241的分壓點B連接到穩壓器240的電壓反饋端VKEF。在圖2所示例子中，串聯分壓電路241優選包括兩個串聯的電阻R3和R4。Vkef從電阻R3上獲取Va的反饋值。這樣，通過合理選擇電阻R3和R4的大小，線性穩壓器240的輸出Va可以配置成恆定在例如5V的驅動電壓Vd。具體地，假設線性穩壓器240米用Supertex公司的穩壓器LR8,其內部\^和Veef之間的壓差恆定在I. 20V，且在Vkef端限流在例如Iaw=IOuA,這樣則可得到在穩壓器輸入端Vk為有效值(Vk例如大於13. 2V時)時，其輸出Va或稱為Vd為Va = Vd = I. 20￥*(1+1 3/1 4)+1仙產1 3。為了使得線性穩壓器240工作更穩定，優選地在其輸出端A耦合一個電容Cl。更為優選地，為電容Cl配置一個與之串聯的限流電阻R5，以限制在穩壓器240上電時電容的充電電流。在輸入電路200中還配置了電隔離兀件250,用於將輸入端210的輸入電壓與微處理器側隔離開來，以免來自輸入端210的大電壓或電流損壞微處理器側的元件。優選地，電隔離元件可以選用如圖2所示的光耦。當然，如本領域技術人員所熟知的，電隔離元件還可以採用其他能夠實現電隔離的元件。在圖2中，光耦的發光二極體的陽極連接到線性穩壓器240的輸出，發光二極體的陰極經由限流電阻R6連接到COM端。這裡，R5和R6均可以視作光耦的限流電阻。光耦的光敏三極體耦合到輸出端220。具體地，光敏三極體的集電極經由一個上拉電阻R7連接到微處理器側的電源Vcc = +5V，其射極連接到微處理器側的地(GND) ο由此，當輸入端210處的輸入電壓Vin低於判斷電路230中齊納二極體D2的閾值電壓Vth(例如88V)時，判斷電路無有效輸出，即沒有電流流入線性穩壓器240，從而線性穩壓器240不工作。這時，光耦250中的發光二極體也因沒有來自線性穩壓器240的驅動電流而無法點亮，導致光敏三極體關斷，從而輸出端220的輸出(Vout)為一個邏輯高電平Vh(例如5V)。相反，當輸入端210處的輸入電壓Vin高於判斷電路230中齊納二極體D2的閾值電壓Vth(例如88V)時，判斷電路輸出有效電壓，電流流入線性穩壓器240，從而線性穩壓器240輸出穩定的驅動電壓,如+5V。這樣,光稱250中的發光二極體在線性穩壓器240的驅動下點亮，光敏三極體導通，並進而使得輸出端220的輸出Vout從一個邏輯高電平Vh切換到一個邏輯低電平 '(例如0V)。圖3示例性地示出了根據本實用新型的另一個實施例的輸入電路300。在圖3中，輸入電路300的線性穩壓器240和光耦250與圖2所示相同，這裡不再贅述。與圖3不同的是輸入電路300還包括整流橋360、帶有跳線的判斷電路330、儲能電容C2、濾波器370以及施密特觸發器380。具體地，如圖3所示判斷電路330包括兩個串聯的齊納二極體D3和D4。其中，D3的兩端跨接有旁路跳線開關J3。根據實際需要，旁路跳線開關J3可以選擇性地導通，以旁路齊納二極體D3。例如，假設每個齊納二極體的閾值電壓均為88V，那麼如果跳線J3斷開，則兩個齊納二極體D3和D4串聯，相應地該判斷電路330的閾值電壓為2*88 = 176V。當J3導通時，只有齊納二極體D4起作用，判斷電路330的閾值電壓為88V。當然，本領域技術人員可以理解的是，根據實際閾值電壓的需求，齊納二極體的數目、連接方式，以及每個齊納二極體的閾值均可以進行靈活選擇。此外，在圖3所示的輸入電路中，優選地，用整流橋360替代了圖2中的單個整流二極體。整流橋360的使用可以適應輸入電壓Vin為雙極性電壓的情況。這裡，整流電路的設計主要目的是在輸入端接反時避免反向電流損壞電路元件。再者，在圖3所示例子中還優選地在線性穩壓器240的輸入端K耦合一個儲能電容C2。電容C2和Cl的目的均是為了給光耦提供穩定的驅動電流。耦合在穩壓器輸入端K的儲能電容C2能夠在輸入電壓Vin波動時，為線性穩壓器240提供瞬時的電能供給。而耦合在輸出端A的電容Cl是在線性穩壓器240的輸出Va波動時提供瞬時的電能補償。另外，在輸出側，圖3所示的電路200可選地還包括一個低通濾波電路370和一個施密特觸發電路380。如圖3所示，低通濾波電路370例如包括由電阻R8和電容C3構成的RC低通濾波電路，以濾除將要送入微處理器的信號中的高頻幹擾。施密特觸發電路380優選設置在低通濾波電路的輸出和輸出端220之間或者直接耦合到輸出端220，用於對光耦輸出的信號進行波形整形，並且施密特觸發電路還提供遲滯功能，從而能夠避免因輸入電壓在閾值電壓附近波動而帶來的信號幹擾。經施密特觸發電路380整形後的波形基本為方波。圖4示出了根據圖3所示的BI電路300的測試結果。如圖4所示，從低邏輯電平到高邏輯電平的上升響應時間大概在500 μ S，從高邏輯電平到低邏輯電平的下降響應時間在大約I. 3ms，而且輸出信號沒有明顯波動。與現有的BI電路相比，本實用新型提出的利用線性穩壓器，且將其配置成恆壓源來驅動光耦的設計，結構簡單、元件數目少、成本低。而且，由於線性穩壓器具有限流功能，因而如此設計的BI通道穩定性和一致性良好。此外，由於將線性穩壓器配置成恆壓源不需要大電容來形成恆流源，因而上升時間得以降低。因此，總體上講，本實用新型提出的BI電路能夠以低成本實現令人滿意的性能。此外，由於線性穩壓器的輸入電壓範圍寬，因而本實用新型提出的BI電路能夠通過更改跳線來配置相關的閾值，就可以適應不同額定電壓下的輸入量。本領域技術人員應當理解，上面所公開的各個實施例可以在不偏離實用新型實質的情況下做出各種改變和修改，這些改變和修改都應當落在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應當由所附的權利要求書來限定。
權利要求1.一種二進位量的輸入電路，其特徵在於該輸入電路(200，300)包括 輸入端(210)，用於接收輸入電壓(Vin)； 輸出端(220)，用於輸出第一邏輯電平(Vh)或第二邏輯電平； 判斷電路(230)，耦合到所述輸入端(210)，用於當所述輸入電壓(Vin)高於一個預定閾值(Vth)時輸出一有效電壓(Ve)； 線性穩壓器(240)，其配置成恆壓源，且其輸入耦合到所述判斷電路(230)的輸出，並在所述判斷電路(230)的輸出為有效電壓(Ve)時輸出一驅動電壓(Vd)； 電隔離元件(250)，其輸入耦合到所述線性穩壓器(240)的輸出，其輸出耦合到所述輸出端(220)； 其中，所述電隔離元件配置成在所述線性穩壓器(240)的輸出未達到所述驅動電壓(Vd)時，所述電隔離元件(250)輸出第一邏輯電平(Vh);在所述線性穩壓器(240)的輸出為所述驅動電壓(Vd)時，所述電隔離元件的輸出從第一邏輯電平(Vh)切換到第二邏輯電平(Vl)。
2.如權利要求I所述的輸入電路，其特徵在於 所述線性穩壓器(240)至少包括穩壓器輸入端(K)、穩壓器輸出端(A)以及電壓反饋端(Vref); 其中，所述電壓反饋端(Vkef)用於接收所述穩壓器輸出端(A)的輸出電壓(Va)的採樣值，以控制所述穩壓器輸出端(A)輸出一恆定的所述驅動電壓(Vd)。
3.如權利要求2所述的輸入電路，其特徵在於，所述輸入電路(200，300)包括 串聯分壓電路(R3，R4)，其耦合到所述穩壓器輸出端(A)，且所述電壓反饋端(Vkef)連接到所述串聯分壓電路的分壓點(B)，其中所述串聯分壓電路(R3，R4)中分壓電阻(R3，R4)的大小決定了所述穩壓器輸出端㈧輸出的驅動電壓(Vd)的大小。
4.如權利要求3所述的輸入電路，其特徵在於，所述判斷電路(230)包括一個齊納二極體(D2)，該齊納二極體的反向擊穿電壓為所述閾值電壓(Vth)。
5.如權利要求3所述的輸入電路，其特徵在於，所述判斷電路(330)包括 兩個或兩個以上的齊納二極體(D3、D4)，這些齊納二極體彼此串聯連接； 至少一個旁路跳線開關(J3)，其每一個跨接在一個所述齊納二極體(D3)的兩端，用於選擇性的旁路該齊納二極體。
6.如權利要求4或5所述的輸入電路，其特徵在於，所述判斷電路(230，330)串聯在所述輸入電壓的路徑中。
7.如權利要求I所述的輸入電路，其特徵在於，所述輸入電路(200，300)還包括連接在所述輸入端(210)和所述判斷電路(230)之間的整流電路。
8.如權利要求7所述的輸入電路，其特徵在於，所述整流電路包括一個整流二極體(Dl)或者一個整流橋(360)。
9.如權利要求I所述的輸入電路，其特徵在於，所述輸入電路(300)還包括低通濾波器(370)，其耦合在所述電隔離元件(250)的輸出和所述輸出端(220)之間。
10.如權利要求I所述的輸入電路，其特徵在於，所述輸入電路(300)還包括耦合到所述輸出端(220)的施密特觸發電路(380)。
11.如權利要求I所述的輸入電路，其特徵在於，所述輸入電路(300)還包括一個儲能電容(C2)，其耦合到所述判斷電路(230，330)的輸出，以在所述判斷電路(230，330)的輸出波動時，為後續電路提供瞬時電能。
12.如權利要求I所述的輸入電路，其特徵在於，所述輸入電路(200，300)還包括一個儲能電容(Cl)，其耦合到所述線性穩壓器(230)的輸出端(A)。
13.如權利要求I所述的輸入電路，其特徵在於，所述電隔離元件為光耦。
專利摘要本實用新型提出了一種二進位量的輸入電路。該輸入電路包括判斷電路，耦合到所述輸入電路的輸入端，用於當輸入電壓高於一個預定閾值時輸出一有效電壓；線性穩壓器，其配置成恆壓源，且其輸入耦合到所述判斷電路的輸出，並在所述判斷電路的輸出為有效電壓時輸出一驅動電壓；電隔離元件，其輸入耦合到所述線性穩壓器的輸出，其輸出耦合到該輸入電路的輸出端；其中，在所述線性穩壓器的輸出未達到所述驅動電壓時，所述電隔離元件輸出第一邏輯電平；在所述線性穩壓器的輸出為所述驅動電壓時，所述電隔離元件的輸出從第一邏輯電平切換到第二邏輯電平。
文檔編號H03K19/0185GK202798651SQ20122017932
公開日2013年3月13日 申請日期2012年4月24日 優先權日2012年4月24日
發明者劉祥, 卓越, 張激, 吳劍強 申請人:西門子電力自動化有限公司