CN101512475B - 模拟输入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模拟输入装置，具备：扫描电路(3)，包括绝缘从热电偶(10)输入的模拟信号的第一绝缘变压器(T1)；电源部(2)，进行用于在热电偶(10)的断线检查中使用的试验电压的充电；第二绝缘变压器(T2)，将扫描电路(3)与电源部(2)相互并联地连接；以及控制电路(8)，输出向第二绝缘变压器(T2)输入的脉冲信号。第二绝缘变压器(T2)绝缘传送用于进行扫描电路(3)的开关的驱动脉冲(41)，并且绝缘传送用于向电源部(2)供电的电源脉冲(42)。控制电路(8)进行定时的控制，以便不同时输出驱动脉冲(41)和电源脉冲(42)。由此，无需用于试验电压的施加的绝缘变压器，由此，作为整体大幅减少部件的个数，实现低成本化、小型化。

Description

模拟输入装置
技术领域
本发明涉及模拟输入装置，特别涉及经由绝缘单元收集从传感器等外部装置输出的模拟信号的模拟输入装置。
背景技术
以往以来，使用了在收集从热电偶等传感器等外部装置中输出的模拟信号时，采用将绝缘变压器等作为绝缘单元的低成本的电路方式的模拟信号输入装置。另外，热电偶等的设置环境一般比较恶劣，所以在这些模拟输入装置中搭载有生成用于检测热电偶等外部装置的断线和接触不良的试验电压的断线检测单元。
例如，作为以往的模拟输入装置，示出了如下方法：具备生成试验电压的电源部，从控制电路经由绝缘变压器输入信号，将由此生成的试验电压施加到热电偶而检测断线状态(例如专利文献1以及2)。
图5以及图6示出这种以往的模拟输入装置的结构例子。图5是安装了多个以往的模拟绝缘多路复用器111的模拟输入装置101的结构图。在模拟输入装置101中，如图5所示，设置有：用于绝缘地收集模拟信号109的多个模拟绝缘多路复用器111；与各模拟绝缘多路复用器111连接的多个放大器105；与这些放大器105连接而选择输入通道的通道选择器106；与通道选择器106连接的A/D变换器107；以及与A/D变换器107连接的控制电路108。而且，在各模拟绝缘多路复用器111上，分别连接有一个门元件1411以及1421。另外，各门元件1411以及1421连接在控制电路108与模拟绝缘多路复用器111之间。
另外，图6是一并示出图5所示的以往的模拟绝缘多路复用器111的内部电路的结构图。为简化附图，在图6中，分别仅记载了一个模拟绝缘多路复用器111、放大器105、门元件1411以及1421。在模拟绝缘多路复用器111内，设置有电源部102和扫描电路103。而且，在模拟绝缘多路复用器111内，设置有：连接在控制电路108与扫描电路103之间的第二绝缘变压器T102；以及连接在控制电路108与电源部102之间的第三绝缘变压器T103。
扫描电路103用于绝缘地收集从热电偶等传感器输出的模拟信号109，具备第一绝缘变压器T101以及开关元件S101。模拟信号109通过第一绝缘变压器T101被绝缘，而输入到模拟信号输入装置101的内部电路中。另外，进行开关元件S101的ON/OFF(接通/断开)控制的驱动脉冲141从控制电路108经由门元件1411被输入到第二绝缘变压器T102，通过第二绝缘变压器T102被绝缘，而传送到开关元件S101中。
另一方面，电源部102用于检测热电偶等传感器的断线和接触不良，与第三绝缘变压器T103的次级侧相连接。从控制电路108经由门元件1421输入的电源脉冲142被施加到第三绝缘变压器T103的初级侧，由此，向设置在电源部102内的平滑电路120充入用于检测断线等的试验电压。试验电压经由设置在电源部102内的高电阻121，被施加到热电偶等传感器的接口。另外，虽然在图5以及图6中省略了图示，但设置有电压测定单元，该电压测定单元在施加了试验电压时，对由于该试验电压而向热电偶等传感器的输出端子导出的电压进行检测，并对该电压与预先设定的基准电压进行比较等，而检测断线等异常。
专利文献1：日本特开昭63-113622号公报
专利文献2：日本特开平7-244561号公报
但是，在上述以往的模拟输入装置中存在如下问题。为了对电源部102绝缘地施加试验电压，需要另外设置第三绝缘变压器T103。特别是，在安装了多通道的模拟绝缘多路复用器111的模拟输入装置中，该第三绝缘变压器T103导致部件数量的增大。即，产生如下问题：成本增加、部件搭载面积增大，结果无法将所有部件安装在一个印刷基板上。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于得到一种模拟输入装置，无需用于试验电压的施加的绝缘变压器，由此，作为整体大幅减少部件的个数，而可以实现低成本化、小型化。
本发明提供一种模拟输入装置，被输入从外部装置输出的模拟信号，并将其收集，其特征在于，具备：扫描电路，包括对所输入的模拟信号进行绝缘的第一绝缘变压器；电源部，进行用于在上述外部装置的断线检查中使用的试验电压的充电；第二绝缘变压器，将上述扫描电路与上述电源部相互并联地连接；以及控制单元，输出向上述第二绝缘变压器输入的脉冲信号，上述第二绝缘变压器从上述控制单元被输入用于进行上述扫描电路的开关的驱动脉冲，将其绝缘地传送到上述扫描电路，并且从上述控制单元被输入用于向上述电源部供电的电源脉冲，将其绝缘地传送到上述电源部，上述控制单元进行定时的控制以便不同时输出上述驱动脉冲和上述电源脉冲，从而输出它们。
本发明提供一种模拟输入装置，被输入从外部装置输出的模拟信号，并将其收集，其特征在于，具备：扫描电路，包括对所输入的模拟信号进行绝缘的第一绝缘变压器；电源部，进行用于在上述外部装置的断线检查中使用的试验电压的充电；第二绝缘变压器，将上述扫描电路与上述电源部相互并联地连接；以及控制单元，输出向上述第二绝缘变压器输入的脉冲信号，上述第二绝缘变压器从上述控制单元被输入用于进行上述扫描电路的开关的驱动脉冲，将其绝缘地传送到上述扫描电路，并且从上述控制单元被输入用于向上述电源部供电的电源脉冲，将其绝缘地传送到上述电源部，上述控制单元进行定时的控制，以便不同时输出上述驱动脉冲和上述电源脉冲，从而输出它们，所以无需用于试验电压的施加的绝缘变压器，由此，作为整体大幅减少部件的个数，实现低成本化、小型化。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1中的模拟输入装置的结构的结构图。
图2是示出本发明的实施方式1中的第二绝缘变压器的时间波形的图。
图3是示出本发明的实施方式1中的整流元件的连接例子的图。
图4是示出本发明的实施方式2中的模拟输入装置的结构的结构图。
图5是以往的模拟输入装置的结构图。
图6是以往的模拟绝缘多路复用器的电路结构图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的模拟输入装置的优选实施方式进行说明。
实施方式1
图1是本发明的实施方式1中的模拟输入装置1的结构图。如图1所示，模拟输入装置1具备：用于收集从热电偶10等传感器输出的模拟信号9的扫描电路3；与扫描电路3连接的放大器5；与放大器5连接的通道选择器6；与通道选择器6连接的A/D变换器7；以及与A/D变换器7连接的控制电路8。扫描电路3包括：用于绝缘从热电偶10输出的模拟信号9的第一绝缘变压器T1；控制模拟信号的扫描的定时的开关元件S1；以及仅在驱动脉冲41被输出的期间成为导通状态的整流元件31。而且，模拟输入装置1设置有门元件411、421和第二绝缘变压器T2。第二绝缘变压器T2从控制电路8经由门元件411、421被输入驱动脉冲41以及电源脉冲42，并且绝缘地传送它们。而且，模拟输入装置1设置有生成用于检测热电偶10的断线或接触不良等异常的试验电压的电源部2。另外，电源部2具备：用于充入试验电压的平滑电路20；以及用于将试验电压施加到热电偶10的接口(省略图示)的电阻21。另外，平滑电路20具备：仅在电源脉冲42被输出的期间成为导通状态的整流元件201；以及用于充入热电偶10的断线检测中使用的试验电压的电容器202。在本实施方式中，第二绝缘变压器T2与扫描电路3和电源部2这两方连接。
在本实施方式中，扫描电路3、第二绝缘变压器T2、电源部2构成模拟绝缘多路复用器11。另外，实际上，如上述图5所示，模拟绝缘多路复用器11、放大器5、门元件411以及421的设置个数对应于通道的个数，但在图1中，为简化附图，对它们分别示出一个。
接下来，对本实施方式1中的模拟输入装置1的动作进行说明。从热电偶10输出的模拟信号9被输入到第一绝缘变压器T1的初级侧。在第一绝缘变压器T1的次级侧连接有放大器5，放大后的模拟信号9被输入到通道选择器6。通道选择器6具有选择多个模拟绝缘多路复用器11中的一个模拟绝缘多路复用器的功能。从通道选择器6输出的模拟信号9被输入到A/D变换器7，通过A/D变换器7模拟信号9被变换成数字信号之后，被输入到控制电路8。这样，本实施方式1中的模拟输入装置1对从热电偶10得到的模拟信号9进行滤波处理后取入，将其变换成数字化的数据。
在第一绝缘变压器T1的初级侧(模拟输入部)连接有由FET(场效应晶体管)构成的开关元件S1。开关元件S1通过来自控制电路8的驱动脉冲41，在应扫描模拟信号9的定时成为ON，所以在该定时收集模拟信号。在开关元件S1的栅极端子以及源极端子上，连接了第二绝缘变压器T2的次级侧。而且，在第二绝缘变压器T2的次级侧上，与开关元件S1并联地连接了电源部2。向第二绝缘变压器T2的初级侧的第一端子，从控制电路8经由门元件411输入驱动脉冲41。另外，同样地向第二绝缘变压器T2的初级侧的第二端子，从控制电路8经由门元件421输入电源脉冲42。驱动脉冲41经由整流元件31被输入到开关元件S1，被用于开关元件S1的ON/OFF控制。电源脉冲42经由整流元件201被输入到电源部2，用于对电容器202充入电源部2的断线检测中使用的试验电压。另外，控制电路8进行定时控制，以不在相同的定时输出驱动脉冲41和电源脉冲42。另外，在本实施方式中，示出了由FET(场效应晶体管)构成开关元件S1的例子，但不限于该情况，开关元件S1既可以由其他类型的晶体管构成，也可以由其他具有开关功能的元件构成。另外，在图1的例子中，示出了设置有一个开关元件S1的例子，但不限于该情况，只要至少具有一个开关元件即可，因此也可以设置多个。
控制电路8在模拟信号的输入定时，经由门元件411发出驱动脉冲41。驱动脉冲41经由第二绝缘变压器T2被传送，使开关元件S1的栅极电位成为高电位而使开关元件S1成为ON状态。此时，由于电源部2中的平滑电路20具备整流元件201，所以在发出驱动脉冲41时，不会产生对平滑电路20的电容器202的充放电电流。另外，在本实施方式1中，整流元件201由二极管构成，该二极管的阳极端子与电容器202的+端子连接。由此，不会产生不必要的漏电流，而可以使断线检测的功能动作。
另外，控制电路8在模拟信号的输入定时以外的任意或规定的时间，经由门元件421发出电源脉冲42。电源脉冲42经由第二绝缘变压器T2被传送，向平滑电路20的电容器202充电试验电压。平滑电路20具有的整流元件201具有仅在电源脉冲42的发行定时成为ON状态的开关功能。另外，在本实施方式中，记载了将二极管用作整流元件201的情况，但不限于该情况，只要是仅在电源脉冲42被输出的期间成为导通状态的元件，则可以是任意的元件。通过该整流元件201，在电源脉冲42的发行定时向电容器202进行充电，相反，在驱动脉冲41的输出定时不流过放电电流。由此，如果将平滑电路20的电容器202设定成适当的电容值，则可以保持通过电源脉冲42施加的试验电压。由此，可以对热电偶10经由电阻21供给断线检测用的试验电压。此处，电阻21具备几MΩ以上的大的电阻值，不会形成通常状态下的模拟信号的误差。另外，向开关元件S1连接了整流元件31，所以在发出电源脉冲42时，不会对开关元件S1的栅极施加逆电位。另外，在本实施方式1中，整流元件32由二极管构成，该二极管的阳极端子与开关元件S1的栅极端子连接。由此，不会产生不必要的漏电流，而可以使断线检测的功能动作。
由此，可以利用向电源部2的电容器202充电的试验电压来检测热电偶10的断线、接触不良等异常。在热电偶10被正常地连接的情况下，从热电偶10输出的模拟信号9被正常地输入到模拟输入装置1。另一方面，如果热电偶10成为断线状态，则试验电压原样被A/D变换后输入到控制装置8。试验电压(例如-5V)是比热电偶10的输出电平(例如100mV左右)充分大的电位，由于成为A/D变换的满标度(full scale)以上，所以控制电路8通过检测溢出，不会误检测，而可以容易且可靠地判定热电偶10的断线状态等异常。
图2示出本实施方式中的波形的一个例子。图2示出驱动脉冲41、电源脉冲42、“T2次级侧”、“电容器202的端子间电压”这四个波形。另外，“T2次级侧”表示在第二绝缘变压器T2的次级侧端子之间出现的电压波形。“电容器202的端子间电压”是平滑电路20所保持的断线检测用的试验电压，表示从电容器202的低电位端子观察的高电位端子的电压波形的变化。
在图2中，在驱动脉冲41被输出的定时，开关元件S1的栅极电压超过阈值Vth，由此，开关元件S1成为ON状态，从而模拟信号9被扫描。此时，由于向平滑电路20连接了整流元件201，所以对电容器202的端子间电压不会产生影响。
另一方面，在图2中，在电源脉冲42的输出定时，在第二绝缘变压器T2的次级侧出现负电位，由此，向平滑电路20的电容器202充电试验电压。由于在平滑电路20中设置有整流元件201，所以仅在电源脉冲42的输出定时向电容器202充电，在驱动脉冲41的输出定时，不发生对电容器202的充放电。
如上所述，根据本实施方式，由于控制电路8、整流元件31以及201的作用，第二绝缘变压器T2具有驱动脉冲41的绝缘传送和电源脉冲42的绝缘传送这两个功能，而且可以实现两个脉冲41、42的功能上的分离，所以无需追加用于热电偶10的断线检测的新的绝缘变压器。由此，可以减少绝缘变压器的个数，所以作为整体，可以大幅减少部件数量，其结果，可以实现电路的小型化，并且可以实现低成本化。
此处，在第二绝缘变压器T2中，共用驱动脉冲41和电源脉冲42的绝缘传送，所以开关元件S1的控制和电源部2的供电功能的功能上的分离显然成为前提。
在图1所示的模拟绝缘多路复用器11的例子中，示出了电源部2具备的整流元件201(二极管)的阳极端子与电容器202的+端子(高电位端子)连接的连接例子。由此，不会产生不必要的漏电流，而可以使断线检测的功能动作。
或者，图3所示的作为其他整流电路的变形例子，示出扫描电路3具备的整流元件32(二极管)的阴极端子与开关元件S1的源极端子(高电位端子)连接的连接例子。由此，不会产生不必要的漏电流，而可以使断线检测的功能动作。
如上所述，根据本实施方式，由于第二绝缘变压器T2兼有驱动脉冲41的绝缘传送和电源脉冲42的绝缘传送这两个功能，所以在具备断线检测功能时，无需追加新的绝缘变压器。由此，部件的安装面积变小，并且可以得到低成本的模拟输入装置。
另外，通过将作为整流元件201或32的二极管的阳极与平滑电路20的电容器202的高电位端子连接，可以防止不必要的漏电流，得到适当的断线检测功能。
实施方式2
图4示出本发明的实施方式2中的模拟输入装置1的结构图。在图4中，第二绝缘变压器T2的次级侧由被串联连接的两个绕组T21、T22构成。第一绕组T21执行用于进行扫描电路3的开关的驱动脉冲41的绝缘传送。另外，第二绕组T22进行用于向电源部2供电的电源脉冲42的绝缘传送。对于其他结构以及动作，由于与实施方式1相同，所以此处省略其说明。
如上所述，使第二绝缘变压器T2的次级侧成为两个绕组的结构，并分离了驱动脉冲41用的电路和电源脉冲42用的电路，所以不会产生整流功能的故障、不必要的漏电流。由此可以通过一个绝缘变压器部件实现两个系统的脉冲的绝缘传送，可以得到小型的电路结构且低成本的模拟输入装置。
如上所述，根据本实施方式，得到与上述实施方式1同样的效果，而且，在本实施方式中，由于由进行驱动脉冲41的绝缘传送的第一绕组T21和进行电源脉冲42的绝缘传送的第二绕组T22这两个绕组构成了第二绝缘变压器的次级侧，所以可以容易地实现电路的功能分离，得到不会发生整流功能的故障、不必要的漏电流这样的效果。
另外，在上述实施方式1以及2中，作为输出模拟信号的传感器，以热电偶10为例子进行了说明，但不限于该情况，只要是输出模拟信号的传感器，则当然都可以应用本发明的模拟输入装置。另外，不限于传感器，只要是输出模拟信号的装置，则当然都可以应用本发明的模拟输入装置。

Claims (6)

1.一种模拟输入装置，被输入从外部装置输出的模拟信号，并将其收集，其特征在于，具备：
扫描电路，包括对所输入的模拟信号进行绝缘的第一绝缘变压器；
电源部，进行用于在上述外部装置的断线检查中使用的试验电压的充电；
第二绝缘变压器，在次级侧将上述扫描电路与上述电源部相互并联地连接；以及
控制单元，输出向上述第二绝缘变压器的初级侧输入的脉冲信号，
从上述控制单元向上述第二绝缘变压器输入用于进行上述扫描电路的开关的驱动脉冲，上述第二绝缘变压器将其绝缘地传送到上述扫描电路，并且从上述控制单元向上述第二绝缘变压器输入用于向上述电源部供电的电源脉冲，上述第二绝缘变压器将其绝缘地传送到上述电源部，
上述控制单元进行定时的控制，以便不同时输出上述驱动脉冲和上述电源脉冲，从而输出它们，
上述电源部具备：
电容器，用于充电在上述外部装置的断线检查中使用的上述试验电压；以及
整流元件，仅在从上述控制单元输出上述电源脉冲的期间成为导通状态，向上述电容器供给上述电源脉冲，
上述扫描电路具备：
整流元件，仅在从上述控制单元输出上述驱动脉冲的期间成为导通状态；以及
开关元件，对上述模拟信号的扫描的定时进行控制。
2.根据权利要求1所述的模拟输入装置，其特征在于，上述电源部的上述整流元件由二极管构成，
该二极管的阳极端子与上述电源部的上述电容器的高电位端子连接。
3.根据权利要求1或2所述的模拟输入装置，其特征在于，上述扫描电路的上述开关元件由晶体管构成。
4.根据权利要求3所述的模拟输入装置，其特征在于，构成上述开关元件的上述晶体管是场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的模拟输入装置，其特征在于，上述扫描电路的上述整流元件由二极管构成，
该二极管的阴极端子与上述扫描电路的上述开关元件的高电位端子连接。
6.根据权利要求1所述的模拟输入装置，其特征在于，上述第二绝缘变压器的次级侧由第一绕组和第二绕组串联连接而构成，其中，第一绕组进行用于执行上述扫描电路的上述开关的上述驱动脉冲的绝缘传送，第二绕组进行用于向上述电源部供电的上述电源脉冲的绝缘传送。
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