模擬電壓輸入電路及方法
2023-10-10 10:38:34
專利名稱：模擬電壓輸入電路及方法
技術領域：
本發明涉及模擬信號輸入領域，更具體地說，涉及一種模擬電壓輸入電路及方法。
背景技術：
在實現變頻器的整體功能時，需進行控制信號輸入。通常數位訊號處理器置於功率電源所在的一次側，由於一次側的電源和各種信號是強電信號，因此該側的信號不滿足安規要求。而變頻器中的對外端子主要提供給操作者使用，以進行控制指令輸入，由於該對外端子人體易接觸到，因此必須滿足安規 要求。模擬電壓輸入端子是對外端子的一種，因此一般將其設置在電源的二次側，該側屬於弱電區，從而使其滿足安規要求。因此，為實現模擬電壓信號輸入且滿足安規要求，需將模擬電壓信號隔離輸入到一次側的數位訊號處理器。通過隔離方案將模擬電壓信號輸入到一次側的數位訊號處理器，目前主要通過以下兩種方案(I)利用線性光耦隔離將模擬電壓信號送到數位訊號處理器側即一次側，數位訊號處理器使用ADC採樣即可實時得知對外端子的輸入模擬電壓。模擬電壓輸入信號在二次側通過線性光耦的隔離後到達一次側，既實現了安規上的隔離，又能滿足將輸入的模擬電壓反映到一次側。上述方案中，信號的線性度和精度都能保證，響應時間小，但是該方案的缺點是線性光耦的成本較高。(2)利用ADC米樣晶片和光稱組成隔離方案。該方案中,ADC晶片設於二次側,光率禹跨接在電源的一次側和二次側，並起著隔離和傳輸數位訊號的作用模擬電壓信號經過調理後直接送到ADC採樣，數位訊號處理器通過光耦隔離發送信號對ADC晶片進行控制和採樣，採樣數據再從另外的光耦返回到數位訊號處理器中去，從而實現模擬電壓信號的採集。該方案中模擬電壓信號的線性度和精度都較好，但是用到的器件比較多，(至少需要I個ADC採樣晶片和2個光耦)，佔用體積大，不利於小型化。並且該方案中使用的ADC晶片價格高，使用的光耦為高速光耦，總體成本較高。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對上述變頻器模擬信號隔離輸入成本高的問題，提供一種模擬電壓輸入電路及方法。本發明解決上述技術問題的技術方案是，提供一種模擬電壓輸入電路，用於將二次側的模擬電壓輸入一次側的數位訊號處理器，包括壓頻轉換電路以及光耦；其中所述模擬電壓輸入壓頻轉換電路的輸入端且所述壓頻轉換電路的輸出端連接到所述光耦的輸入端；所述光耦的輸出端連接到數位訊號處理器的輸入端；所述壓頻轉換電路將輸入的模擬電壓轉換為對應頻率的脈衝信號且該壓頻轉換電路輸出的脈衝信號的頻率隨輸入的模擬電壓的值呈線性變化。在本發明所述的模擬電壓輸入電路中，所述壓頻轉換電路在輸入電壓大於OV時輸出脈衝信號，所述模擬電壓經由加法器電路輸入到壓頻轉換電路的輸入端，所述加法器電路用於將輸入電壓提升到OV以上。 在本發明所述的模擬電壓輸入電路中，所述壓頻轉換電路包括模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151以及設於該模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸入端的RC濾波電路。在本發明所述的模擬電壓輸入電路中，所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第六引腳分別經由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經由電容Q接地並經由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經由電阻Rs接地，所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第三引腳輸出脈衝的頻率為Jq=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。在本發明所述的模擬電壓輸入電路中，所述電容Cb的電容值為O. Oluf，所述電阻R0的阻值滿足6. 8k Ω < R0 < 680k Ω，所述電容C。的容值滿足0. OOluf < C0 < I. Ouf。 本發明還提供一種模擬電壓輸入方法，用於將二次側的模擬電壓輸入一次側的數位訊號處理器，包括以下步驟(a)將模擬電壓轉換為脈衝信號，所述脈衝信號的頻率隨模擬電壓的值呈線性變化；(b)將所述輸出脈衝輸入光耦的原邊，所述光耦的副邊連接到數位訊號處理器的輸入端。在本發明所述的模擬電壓輸入方法中，所述步驟(a)包括將所述模擬電壓的值提升到OV以上並將提升後的模擬電壓轉換為脈衝信號。在本發明所述的模擬電壓輸入方法中，所述步驟(a)中通過壓頻轉換電路實現模擬電壓與脈衝信號的轉換，並通過加法器電路實現模擬電壓的提升。在本發明所述的模擬電壓輸入方法中，所述壓頻轉換電路包括模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151，所述模擬電壓輸入端子經由RC濾波電路連接到所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸入端。在本發明所述的模擬電壓輸入方法中，所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第六引腳分別經由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經由電容Q接地並經由電阻％連接到 供電電壓、第2引腳經由電阻Rs接地；所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第三引腳輸出脈衝的頻率為Jq=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。本發明的模擬電壓輸入電路及方法，通過壓頻轉換，使得採用普通光耦即可實現弱電電壓信號至電源側的輸入，不僅成本較低，而且線性度好。本發明採用模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151和普通光耦組合，克服了現有方案響應時間慢、超調的難題，並使得整體成本大幅降低。經過測試，本發明適用於輸入±10V的電壓範圍，線性精度滿足1%的要求。
圖I是本發明模擬電壓輸入電路第一實施例的結構框圖。圖2是本發明模擬電壓輸入電路第二實施例的結構框圖。圖3是圖2中壓頻轉換電路的示意圖。圖4是本發明模擬電壓輸入方法實施例的流程示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明將模擬電壓轉換成對應頻率的脈衝信號，經過光耦隔離後送到數位訊號處理器，這樣就完成將二次側的模擬信號轉換成 脈衝信號送到數位訊號處理器埠，數位訊號處理器計算脈衝信號的頻率，就能實時採集到模擬電壓的大小，從而進行相應的控制。如圖I所示，是本發明模擬電壓輸入電路第一實施例的結構框圖，該模擬電壓輸入電路用於將二次側的模擬電壓輸入到一次側的數位訊號處理器。在本實施例中，該模擬電壓輸入電路包括壓頻轉換電路11以及光耦12，其中壓頻轉換電路11的輸入端接收模擬電壓輸入且該壓頻轉換電路11的輸出端連接到光耦12的輸入端。光耦12的輸出端連接到數位訊號處理器13的輸入端。上述壓頻轉換電路11將輸入電壓轉換為對應頻率的脈衝信號，並且該壓頻轉換電路11輸出的脈衝信號的頻率隨輸入電壓的值呈線性變化。上述電路中利用二次側的壓頻轉換電路11，將模擬電壓按不同的電壓值轉換為不同頻率的脈衝信號，並通過光耦12傳遞上述脈衝信號到一次側，一次側的數位訊號處理器13根據採樣到脈衝信號的頻率還原出模擬電壓的大小。上述方案利用數字隔離實現模擬電壓輸入的隔離，比直接用模擬信號隔離方案可顯著降低成本。並且與現有採用ADC晶片和光耦組合的方案相較，可大大減小布板面積，有利於單板的小型化。在壓頻轉換電路中，若採用的壓頻轉換晶片(VFC)僅能實現OV以上的電壓轉換(即只滿足正電壓輸入)，此時需對輸入壓頻轉換晶片的電壓進行提升。如圖2所示，是本發明模擬電壓輸入電路第二實施例的結構框圖。在本實施例中，除了包括壓頻轉換電路22以及光耦23外，還包括用於將輸入電壓提升到OV以上的加法器電路21。模擬電壓經加法器電路21進行電壓提升後輸入到壓頻轉換電路22。壓頻轉換電路22輸出的脈衝信號經由光耦23輸入到數位訊號處理器24中。通過上述加法器電路21，使得僅能實現正電壓輸入的壓頻轉換晶片可兼容負電壓的輸入。特別地，如圖3所示，是圖2中壓頻轉換電路24的結構示意圖。該壓頻轉換電路24包括模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151，且模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸入端設有RC濾波電路。通過上述RC濾波電路，可在模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151中加入RC濾波時間，從而解決超調現象。上述的模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第六引腳分別經由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經由電容Qj接地並經由電阻Rtj連接到供電電壓、第2引腳經由電阻Rs接地，所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第三引腳輸出脈衝的頻率為=L=KV1，其中K=O. 486*RS/(RbRqCq),V1為模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸出脈衝的脈寬T=L IRtjCy為了充分發揮模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的線性優勢，可配置模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的工作參數，以根據模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151供電電壓和輸出頻率之間的關係，確保工作電壓的微小變化對輸出頻率影響不大。例如將模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的供電電壓設置為+14. 25V，此時模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151工作點落在關係曲線的平坦區。在上述壓頻轉換電路中，可能出現模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸出脈衝的頻率不能快速跟隨輸入電壓變化等現象。為了解決上述響應時間、超調的問題，需要配置模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的工作參數。其中Cb參數影響很關鍵，特別是對輸入輸出的反應時間的影響，經試驗發現，在CB=0. Iuf時會出現空段頻率的現象(響應不及時的表現)，但與CB=1. Ouf時出現空段的頻率不同，其僅在輸入電壓瞬間跳變比較大時出現，即輸入電壓的跳變頻率比較高時，如50Hz。當CB=0. Oluf，在輸入電壓的跳變頻率比較高時，跳變頻率能達到1kHz，此時輸出也不會出現空段頻率的現象，而且輸出的線性度也非常好，此時輸出頻率能快速跟蹤輸入電壓的變化，延遲時間約為1ms。特別地，上述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的設計輸出的頻率範圍為2. OkHz 20kHz，在選擇參數時，可設置參數的約束關係如下6. 8k Ω < R0 < 680kΩ , O. OOluf < C0 < I. Ouf, CB=0. Oluf。如圖4所示，是本發明模擬電壓輸入方法實施例的流程示意圖，該方法用於將二次側的模擬電壓輸入一次側的數位訊號處理器。該方法包括以下步驟步驟S41 :將模擬電壓轉換為脈衝信號，其中脈衝信號的頻率隨模擬電壓的值呈線性變化。該步驟中，可通過諸如壓頻轉換電路等實現模擬電壓與脈衝信號的轉換。此外，為了使該方法適用於僅能輸入正電壓的壓頻轉換晶片，可通過加法器電路對輸入的模擬電壓進行提升，也就是將模擬電壓的值提升到OV以上後再輸入壓頻轉換電路轉換為脈衝信號。步驟S42 :將上述輸出脈衝輸入光耦的原邊，該光耦的副邊連接到數位訊號處理器的輸入端。上述壓頻轉換電路可採用模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151。特別地，該模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸入端設有RC濾波電路，從而解決超調現象。上述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第六引腳分別經由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經由電容Q接地並經由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經由電阻Rs接地；模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第三引腳輸出脈衝的頻率為=L=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbRqCq), V1為模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種模擬電壓輸入電路，用於將二次側的模擬電壓輸入一次側的數位訊號處理器，其特徵在於包括壓頻轉換電路以及光耦；其中所述模擬電壓輸入壓頻轉換電路的輸入端且所述壓頻轉換電路的輸出端連接到所述光耦的輸入端；所述光耦的輸出端連接到數位訊號處理器的輸入端；所述壓頻轉換電路將輸入的模擬電壓轉換為對應頻率的脈衝信號且該壓頻轉換電路輸出的脈衝信號的頻率隨輸入的模擬電壓的值呈線性變化。
2.根據權利要求I所述的模擬電壓輸入電路，其特徵在於所述壓頻轉換電路在輸入電壓大於OV時輸出脈衝信號，所述模擬電壓經由加法器電路輸入到壓頻轉換電路的輸入端，所述加法器電路用於將輸入電壓提升到OV以上。
3.根據權利要求2所述的模擬電壓輸入電路，其特徵在於所述壓頻轉換電路包括模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151以及設於該模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸入端的RC濾波電路。
4.根據權利要求3所述的模擬電壓輸入電路，其特徵在於所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第六引腳分別經由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經由電容Q接地並經由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經由電阻Rs接地，所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第三引腳輸出脈衝的頻率為A=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。
5.根據權利要求4所述的模擬電壓輸入電路，其特徵在於所述電容(；的電容值為O. Oluf，所述電阻Rq的阻值滿足6. 8kQ < Rq < 680kΩ，所述電容C。的容值滿足O.OOluf < C0 < I. Ouf0
6.—種模擬電壓輸入方法，用於將二次側的模擬電壓輸入一次側的數位訊號處理器，其特徵在於包括以下步驟 Ca)將模擬電壓轉換為脈衝信號，所述脈衝信號的頻率隨模擬電壓的值呈線性變化； (b)將所述輸出脈衝輸入光耦的原邊，所述光耦的副邊連接到數位訊號處理器的輸入端。
7.根據權利要求6所述的模擬電壓輸入方法，其特徵在於所述步驟(a)包括將所述模擬電壓的值提升到OV以上並將提升後的模擬電壓轉換為脈衝信號。
8.根據權利要求7所述的模擬電壓輸入方法，其特徵在於所述步驟(a)中通過壓頻轉換電路實現模擬電壓與脈衝信號的轉換，並通過加法器電路實現模擬電壓的提升。
9.根據權利要求8所述的模擬電壓輸入方法，其特徵在於所述壓頻轉換電路包括模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151，所述模擬電壓輸入端子經由RC濾波電路連接到所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的輸入端。
10.根據權利要求9所述的模擬電壓輸入方法，其特徵在於所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第六引腳分別經由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經由電容Q接地並經由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經由電阻Rs接地；所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第三引腳輸出脈衝的頻率為A=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉換晶片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。
全文摘要
本發明提供了一種模擬電壓輸入電路，用於將二次側的模擬電壓輸入一次側的數位訊號處理器，包括壓頻轉換電路以及光耦；其中模擬電壓輸入所述壓頻轉換電路的輸入端且所述壓頻轉換電路的輸出端連接到所述光耦的輸入端；所述光耦的輸出端連接到數位訊號處理器的輸入端；所述壓頻轉換電路將輸入電壓轉換為對應頻率的脈衝信號且該壓頻轉換電路輸出的脈衝信號的頻率隨輸入電壓的值呈線性變化。本發明還提供一種對應的方法。本發明通過壓頻轉換，使得採用普通光耦即可實現弱電電壓信號至電源側的輸入，不僅成本較低，而且線性度好。
文檔編號H03K19/14GK102820881SQ20121027638
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者劉東生 申請人:深圳市匯川技術股份有限公司, 蘇州匯川技術有限公司, 蘇州默納克控制技術有限公司