CN101447663A - 一种硬件保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硬件保护电路，包括：数字信号处理单元，数模转换单元、电压比较器和执行单元；所述数字信号处理单元，用于数字化设置阀值电压，发送所述阀值电压至数模转换单元；所述数模转换单元，用于将数字阀值电压转换为模拟阀值电压，发送至所述电压比较器的反向输入端；所述电压比较器，用于比较正向输入端的输入电压和所述阀值电压，当所述输入电压大于所述阀值电压时，所述电压比较器输出逻辑高电平至执行单元，执行单元动作，切断电路，起到保护作用，防止重大事故的发生。本发明可以通过所述数字信号处理单元任意设置所述阀值电压，方便简洁且具有通用性。
Description
技术领域
本发明涉及电气自动化控制领域，特别涉及一种硬件保护电路。
背景技术
为了防止重大事故的发生，机车牵引变流器中均设置了硬件保护电路。当所述牵引变流器中的工作信号，例如电压或电流等，超过预先设定的阀值电压时，硬件保护电路中的执行单元动作，切断工作电路，从而防止重大事故的发生。
参见图1，该图为现有技术中硬件保护电路的原理图。
硬件保护电路主要包括电压比较器。电压比较器是一种用来比较输入电压和参考电压的电路元件。记所述输入电压为Uin，所述参考电压为Uref。所述Uin加于电压比较器的同向输入端(+)。所述Uref加于所述电压比较器的反向输入端(-)。所述Uref可以是正值，也可以是负值。当所述Uin小于所述Uref时，电压比较器输出端输出逻辑低电平。当所述Uin大于所述Uref时，电压比较器输出端输出逻辑高电平。将电压比较器输出端从一个电平跳变到另一个电平的相应输出电压称为门限电压或阀值电压，记为Uth，Uth＝Uref。
传感器将牵引变流器中工作信号转换为电压信号，作为所述电压比较器的Uin。将所述Uin与预先设定的容许阀值进行比较。所述容许阀值即为所述Uref。当所述Uin大于所述Uref时，电压比较器输出端输出高电平，执行单元动作，切断工作电路，从而防止重大事故的发生。
参见图2，该图为现有技术中电阻分压的硬件保护电路的原理图。
现有的硬件保护电路中的阀值电压是通过电阻分压进行设置的。硬件保护电路主要由一个电压比较器和两个分压电阻组成。第一分压电阻R1的一端接电源电压Vdc，另一端接电压比较器的反向输入端(-)。第二分压电阻R2的一端接所述电压比较器的反向输入端(-)，另一端接地。
由电阻分压原理可得，所述阀值电压即参考电压为Uref。
由此可见，只要选取合适的分压电阻即可得到需要的阀值电压。
但是，不同的阀值电压需要选择不同的分压电阻，而且一旦设置好所述分压电阻，所述阀值电压的后续调整极为不便。从而造成硬件保护电路不能通用。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种硬件保护电路，该硬件保护电路可以方便设置阀值电压，并且具有通用性。
本发明提供一种硬件保护电路，包括：数字信号处理单元，数模转换单元、电压比较器和执行单元；
所述数字信号处理单元，用于设置数字阀值电压，发送所述阀值电压至数模转换单元；
所述数模转换单元，用于将数字阀值电压转换为模拟阀值电压，发送至所述电压比较器的反向输入端；
所述电压比较器，用于比较正向输入端的输入电压和所述阀值电压，当所述输入电压大于所述阀值电压时，所述电压比较器输出逻辑高电平至执行单元；
所述执行单元，用于接到所述逻辑高电平后动作。
优选地，所述硬件保护电路还包括模数转换单元，所述模数转换单元的输入端连接所述电压比较器的反向输入端，用于将所述阀值电压转换成数字电压，输出至所述数字信号处理单元；所述数字信号处理单元还用于检测所述数字电压与发送到数模转换单元的数字阀值电压是否一致，如果否，则发出故障报警信息。
优选地，所述硬件保护电路还包括支撑电容，所述支撑电容连接于所述电压比较器的反向输入端和地之间。
优选地，所述硬件保护电路还包括锁存器，所述锁存器连接于所述数字信号处理单元和所述数模转换器之间，用于将所述数字阀值电压锁存预定时间间隔，当所述数模转换器完成转换后结束锁存状态。
优选地，所述正向输入端的输入电压是由传感器采集的牵引变流器的电压信号或电流信号。
优选地，所述数字信号处理单元为数字信号处理器或单片机。
优选地，所述执行单元为继电器或接触器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供一种硬件保护电路，数字信号处理单元灵活设置阀值电压。所述数字信号处理单元可以设置数字阀值电压，避免了用分压电阻设置阀值电压带来的不便。数字信号处理单元将设置的阀值电压发送至数模转换器。数模转换器将所述阀值电压转换为模拟信号发送至电压比较器的反向输入端。电压比较器比较正向输入端的输入电压与阀值电压，当所述输入电压大于所述阀值电压时，所述电压比较器输出逻辑高电平，执行单元动作，切断电路，起到保护作用，防止重大事故的发生。本发明可以通过所述数字信号处理单元任意设置所述阀值电压，方便简洁且具有通用性。
附图说明
图1是现有技术中硬件保护电路的原理图；
图2是现有技术中电阻分压的硬件保护电路的原理图；
图3是基于本发明硬件保护电路第一实施例结构图；
图4是基于本发明硬件保护电路第二实施例结构图；
图5是基于本发明硬件保护电路第三实施例结构图；
图6是基于本发明硬件保护电路第四实施例结构图；
图7是基于本发明硬件保护电路第五实施例结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图3，该图为基于本发明硬件保护电路第一实施例结构图。
本发明实施例所述硬件保护电路包括：数字信号处理单元301，数模转换单元(DAC，Digital to Analog Converter)302、电压比较器303和执行单元304。
所述数字信号处理单元301，用于数字化设置阀值电压，发送所述阀值电压至所述数模转换单元302。
所述数字信号处理单元301可以任意设置所述阀值电压。所述阀值电压通过软件编程设定，即直接通过改变数字修改阀值电压，修改方便；不必改变硬件电路。
所述DAC302，用于将数字阀值电压转换为模拟阀值电压，发送至所述电压比较器303的反向输入端(-)。因为电压比较器的输入信号必须为模拟信号。
所述电压比较器303，用于比较正向输入端(+)的输入电压Uin和所述阀值电压Uref，当所述输入电压大于所述阀值电压时，所述电压比较器303输出逻辑高电平至所述执行单元304。这时，说明硬件保护电路的输入电压Uin大于预先设定的阀值电压Uref，电路出现故障。
所述执行单元304，用于当电压比较器303输出逻辑高电平时动作，起到保护作用。
所述执行单元304可以为继电器或接触器等开关器件。当输入电压Uin大于所述阀值电压Uref时，所述继电器或接触器断开电路，从而起保护作用。
本发明提供一种硬件保护电路，数字信号处理单元灵活设置阀值电压。数模转换器将所述阀值电压转换为模拟信号发送至电压比较器的反向输入端。电压比较器比较正向输入端的输入电压与阀值电压，当所述输入电压大于所述阀值电压时，所述电压比较器输出逻辑高电平，执行单元动作，切断电路，起到保护作用，防止重大事故的发生。本发明可以通过所述数字信号处理单元任意设置所述阀值电压，方便简洁且具有通用性。
参见图4，该图为基于本发明硬件保护电路第二实施例结构图。
本发明硬件保护电路第二实施例与第一实施例的区别是：增加了模数转换单元401。
所述模数转换单元(ADC，Analog to Digital Converter)401的输入端连接所述电压比较器303的反向输入端(-)，用于将所述阀值电压转换成数字信号，输出至所述数字信号处理单元301。
所述数字信号处理单元301进一步用于监测所述数字信号与发送到DAC302的阀值电压是否一致，如果否，则发出故障报警信息。
所述数字信号处理单元301监测阀值电压与最初设定的阀值电压是否一致。当不一致时，及时通过软件进行调整。
本发明为了保证所述DAC302输出的阀值电压Uref的正确性，通过ADC401反馈阀值电压，有效解决了现有技术中因分压电阻出现参数漂移或损坏，硬件保护电路无法检测的缺陷。
参见图5，该图为基于本发明硬件保护电路第三实施例结构图。
本发明硬件保护电路第三实施例与第二实施例的区别是增加了锁存器501。
所述锁存器501连接于所述数字信号处理单元301和所述DAC302之间，用于将所述数字阀值电压Uref锁存预定时间间隔后发送至所述DAC302。
所述锁存器501用于锁存数据。在锁存器信号到达之前，所述锁存器501输出端的数据随输入端数据的变化而变化。当所述锁存器信号到达时，所述锁存器501将输出端的状态锁存，使输出端的电平不再随输入端的变化而变化。由于所述DAC302转换数据需要一定的时间，因此需要所述锁存器501将数据锁存，保证数据在所述DAC302转换的时间间隔内保持不变。
本发明实施例所述硬件保护电路增加所述锁存器501使所述阀值电压Uref经所述DAC302转换后更准确，从而提高硬件保护电路的可靠性。
需要说明的是，所述锁存器501可以与所述数字信号处理单元301集成在一起，简化硬件保护电路的原理。
参见图6，该图为基于本发明硬件保护电路第四实施例结构图。
本发明硬件保护电路第四实施例与第三实施例的区别是增加了支撑电容601。
由于电子电路工作时会对外产生电磁干扰信号，对其它工作电路或设备产生电磁波或尖峰脉冲等干扰信号。为了保证所述阀值电压Uref稳定性，防止干扰信号使得所述阀值电压Uref变化引起的保护电路误动作，因此加入所述支撑电容601以滤除高频及脉冲干扰。
所述支撑电容601连接于所述电压比较器303的反向输入端(-)和地之间，用于稳定所述阀值电压Uref，使所述阀值电压Uref具有一定的抗干扰作用。
参见图7，该图为基于本发明硬件保护电路第五实施例结构图。
本发明所述硬件保护电路可以应用于电气自动化领域，例如列车系统中的牵引变流器、开关电源或变频器等。电力系统中的供电设备的保护，例如电动机、发电机或供电设备等。本发明所述对于使用可测量温度、速度、压力、电压或电流等信号的设备也同样适用。
下面以列车系统的牵引变流器为保护对象为例来说明本发明所述硬件保护电路的应用。
需要说明的是，本发明所述实施例中的数字处理单元301采用数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)。当然，也可以采用其他类型的微处理器，例如单片机等。
所述DSP301是专门用于数字信号处理和精密计算的微处理器，具有速度快、精度高和可靠性高等特点。所述DSP301中存储用户自行编制的程序。通过所述程序可以任意设置所述阀值电压Uref。从而实现所述硬件保护电路的阀值电压Uref的数字化设置，无需再用手动调整分压电阻的方法设定所述阀值电压Uref。
所述DSP301将设置好的阀值电压Uref发送至锁存器501，所述锁存器501将所述阀值电压Uref锁存，当DAC302转换完毕以后，再发送新的阀值电压Uref至所述DAC302。
所述DAC302将所述阀值电压Uref转换为模拟信号，发送至所述电压比较器303的反向输入端(-)。
采集单元701，用于采集所述牵引变流器的工作信号，例如电压信号或电流信号，将其转换为所述电压比较器303可以接受的电压信号，发送至所述电压比较器303的同向输入端(+)，作为输入电压Uin。
所述电压比较器303比较所述输入电压Uin和阀值电压Uref的大小。
当所述Uin<Uref时，所述电压比较器303的输出端输出逻辑低电平。
当所述Uin>Uref时，所述电压比较器303的输出端输出逻辑高电平。
当所述电压比较器303的输出端输出逻辑低电平时，表明所述牵引变流器工作状态良好。
当所述电压比较器303的输出端输出逻辑高电平时，表明所述牵引变流器出现故障，DSP301发出故障报警信号。此时，与所述电压比较器303的输出端连接的驱动单元702将输出信号放大，驱动执行单元304动作，切断所述牵引变流器的工作电路，从而实现保护。
另外，本发明所述硬件保护电路实施例还设置了ADC401，用于将所述电压比较器303反向输入端(-)的阀值电压Uref转换为数字信号，反馈至DSP301，DSP监测反馈回来的阀值电压Uref与发送出去的阀值电压Uref是否相同，如果不同说明硬件保护电路存在故障。因此，本发明采用反馈检测方法完全规避了现有技术中硬件保护电路无法检测阀值电压Uref的缺陷。
本发明所述硬件保护电路采用数字电路与模拟电路相结合的电路结构，使保护电路既具有模拟电路的极快响应速度，又保证了数字电路的调试修改方便的特性，并且发明所述硬件保护电路具有良好的通用性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1、一种硬件保护电路，其特征在于，包括：数字信号处理单元，数模转换单元、电压比较器和执行单元；
所述数字信号处理单元，用于设置数字阀值电压，发送所述阀值电压至数模转换单元；
所述数模转换单元，用于将数字阀值电压转换为模拟阀值电压，发送至所述电压比较器的反向输入端；
所述电压比较器，用于比较正向输入端的输入电压和所述阀值电压，当所述输入电压大于所述阀值电压时，所述电压比较器输出逻辑高电平至执行单元；
所述执行单元，用于接到所述逻辑高电平后动作。
2、根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，所述硬件保护电路还包括模数转换单元，所述模数转换单元的输入端连接所述电压比较器的反向输入端，用于将所述阀值电压转换成数字电压，输出至所述数字信号处理单元；所述数字信号处理单元还用于检测所述数字电压与发送到数模转换单元的数字阀值电压是否一致，如果否，则发出故障报警信息。
3、根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，还包括支撑电容，所述支撑电容连接于所述电压比较器的反向输入端和地之间。
4、根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，还包括锁存器，所述锁存器连接于所述数字信号处理单元和所述数模转换器之间，用于将所述数字阀值电压锁存预定时间间隔，当所述数模转换器完成转换后结束锁存状态。
5、根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，所述正向输入端的输入电压是由传感器采集的牵引变流器的电压信号或电流信号。
6、根据权利要求1至5任一项所述的硬件保护电路，其特征在于，所述数字信号处理单元为数字信号处理器或单片机。
7、根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，所述执行单元为继电器或接触器。
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