CN102063082A - 数字输入电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数字输入电路，包括：一对输入端子，通过该对输入端子输入数字电压信号的输入信号；光电耦合器，用于将所述输入信号从所述输入端子传输到微型计算机的输入端口，并且所述光电耦合器具有一个发光二极管和一个光电晶体管，其中所述光电耦合器的发光二极管连接在所述输入端子之间，所述光电晶体管的集电极与所述电源的正极侧相连，以及所述光电晶体管的发射极经由第一电阻器接地；以及双极性晶体管，该双极性晶体管设置在大地和第二电阻器之间，其中所述双极性晶体管的集电极与用于上拉微型计算机的输入端口的第二电阻器相连，所述双极性晶体管的发射极接地，以及所述双极性晶体管的基极与所述光电晶体管的发射极和第一电阻器之间的连接节点相连。
Description
技术领域
本发明涉及在例如可编程逻辑控制器(PLC)中使用的数字输入电路。
背景技术
通常，PLC被广泛地应用于对各种外部装置的控制。近来，要控制的外部装置趋于具有复杂的配置，从而要求高速处理输入/输出信号。
已经提出了通用PLC单元1’，如图2所示，该PLC单元1’包括与要控制的外部装置11’相连的外部连接器15’，与具有用于执行例如顺序程序的CPU的CPU单元相连的连接连接器(connection connector)16’，用于基于CPU所执行的顺序程序来执行对外部装置11’的顺序控制的可编程逻辑器件(PLD)17’，以及具有例如用于显示PLC单元1’的操作状态的发光二极管的显示单元18’。PLC单元1’还包括隔离单元19’、设置开关20’以及电源单元21’，该隔离单元19’设置在外部连接器15’和PLD 17’之间并且具有多个用于在将外部连接器15’和PLD 17’彼此电隔离的同时传输输入和输出信号的光电耦合器；该设置开关20’用于设置PLD 17’的操作状态；该电源单元21’用于向PLD 17’、显示单元18’、隔离单元19’以及设置单元20提供电能(例如，参见日本专利申请公开No.2002-222003)。此外，PLD 17’设置有微型计算机(下文中，简称为“微机”)12’，用于检测来自外部装置11’的输入信号或者将输出信号输出到外部装置11’。
在图2中示出的通用PLC单元1’中，可以将与由一个发光二极管和一个光电晶体管构成的通用光电耦合器相比具有高响应速度的高速光电耦合器用作隔离单元19’的数字输入电路的光电耦合器，作为数字输入/输出电路。在这种情况下，PLC单元1’可以对通过外部连接器15’从外部装置11’输入且在高电平和低电平之间快速且重复改变的输入信号的电压电平进行响应。然而，与通用光电耦合器相比，高速光电耦合器昂贵，从而使得难以以低成本实现上述数字输入电路。
相应地，提出了一种使用通用光电耦合器的数字输入电路2’，该数字输入电路2’包括例如一对输入端子T3’和T4’以及通用光电耦合器PC5’，输入信号通过该对输入端子T3’和T4’从例如外部装置11’输入，以及通用光电耦合器PC5’用于将输入信号从输入端子T3’和T4’传输到例如微机12’，如图3中所示(例如参见日本实用新型申请公开No.S63-147702)。
光电耦合器PC5’由包括发光二极管LD6’和光电晶体管PT8’的封装(package)形成，该光电晶体管PT8’面对发光二极管LD6’，并且根据发光二极管LD6’的导通和截止而导通和截止。
在如上所述的数字输入电路2’中，光电耦合器PC5’的发光二极管LD6’经由电阻器R9’连接在输入端子T3’和T4’之间，用于限制电流。电阻器R10’与发光二极管LD6’并联。此外，光电耦合器PC5’的光电晶体管PT8’的集电极端与电源Vcc的正极侧相连，以及光电晶体管PT8’的发射极端经由电阻器R23’和缓存电路BU26’，与微机12’的输入端口相连。此外，光电晶体管PT8’的发射极端和电阻器R23’之间的连接节点经由电阻器R24’接地。电阻器R23’和缓存电路BU26’之间的连接节点经由电容器C25’接地。
在下文中，将描述图3中示出的数字输入电路2’的操作。
例如，如果从外部装置11’输入的输入信号的电压电平从低变到高，则在输入端子T3’和T4’之间施加二极管导通电压。相应地，发光二极管LD6’导通，并且电流I11’在光电耦合器PC5’的发光二极管LD6’中流动。结果是，光电晶体管PT8’导通(即，变为导通(ON)状态)。随后，微机12’的输入端口的电压电平从低变到高。
另一方面，如果该输入信号的电压电平从高变到低，则在输入端子T3’和T4’之间没有施加二极管导通电压。相应地，发光二极管LD6’截止，并且电流I11’不在光电耦合器PC5’的发光二极管LD6’中流动。结果是，光电晶体管PT8’截止(即，变为截止(OFF)状态)。随后，微机12’的输入端口的电压电平从高变到低。
相应地，在包括这种具有与具有图3中示出的电路配置的数字输入电路2’的缓存电路BU26’的输出端子相连的输入端口的微机的PLC中，可以通过该微机来检测来自外部装置的输入信号的电压电平(高电平或低电平)。
在具有图3中示出的电路配置的数字输入电路2’中，光电晶体管PT8’的发射极端经由电阻器R24’接地。因此，当光电晶体管PT8’处于导通状态时，光电晶体管PT8’的集电极-发射极电压变为接近于0V，并且光电晶体管PT8’处于饱和状态。相应地，当光电晶体管PT8’的状态从导通状态切换到截止状态时，由于光电晶体管PT8’的镜像效应以及光电晶体管PT8’的基极-发射极电容的长期累积时间(基极储存时间)，导致发生响应延迟。因此，如果(高速脉冲的)输入信号的电压电平在具有图3中示出的电路配置的数字输入电路2’中高速重复变化，则难以在微机12’中识别所有输入信号。
因此，为了对高速脉冲的输入信号进行响应，优选使用具有高响应速度的光电耦合器，而不是通用光电耦合器。然而，难以利用具有高响应速度的光电耦合器，以低成本实现该数字输入电路。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种能够以低成本实现高响应速度的数字输入电路。
根据本发明的一个实施例，提供了一种数字输入电路，包括：一对输入端子，通过该对输入端子输入数字电压信号的输入信号；电源；用作信号传输元件的光电耦合器，用于将所述输入信号从所述输入端子传输到微型计算机的输入端口，并且所述光电耦合器具有一个发光二极管和一个光电晶体管，其中所述光电耦合器的发光二极管连接在所述输入端子之间，所述光电晶体管的集电极与所述电源的正极侧相连，以及所述光电晶体管的发射极经由第一电阻器接地；第二电阻器，用于上拉(pull up)所述微型计算机的输入端口；以及双极性晶体管，该双极性晶体管设置在大地和所述第二电阻器之间，其中所述双极性晶体管的集电极与所述第二电阻器相连，所述双极性晶体管的发射极接地，以及所述双极性晶体管的基极与所述光电晶体管的发射极和所述第一电阻器之间的连接节点相连。
在这个配置中，所述光电晶体管的发射极经由所述第一电阻器接地。所述双极性晶体管设置在大地和用于上拉所述微型计算机的输入端口的第二电阻器之间。在上述晶体管中，集电极与所述第二电阻器相连，发射极接地。上述晶体管的基极与所述第一电阻器和所述光电晶体管的发射极之间的连接节点相连。相应地，当所述光电晶体管导通时，所述连接节点处的电势变为等于所述双极性晶体管的基极-发射极电压。因此，所述光电晶体管的集电极-发射极电压不会变为0V。因此，在其中在将光电晶体管维持在非饱和状态的同时导通和截止所述双极性晶体管的状态下，可以在所述微型计算机的输入端口处识别所述输入信号。
此外，由于所述光电晶体管的集电极-发射极电压摆动小，所述光电晶体管的镜像效应很难发生。此外，可以在所述光电晶体管没有处于饱和状态且所述光电晶体管的集电极-发射极电压在小范围内变化时，执行切换操作。相应地，当所述光电晶体管的状态从导通状态变为截止状态时，可以缩短由于所述镜像效应和所述光电晶体管的基极-发射极电容的长期累积时间而发生的响应延迟。
此外，尽管具有高响应速度的光电耦合器未被用作信号传输元件，但是可以利用上述包括一个发光二极管和一个光电晶体管的光电耦合器，在所述微型计算机的输入端口处识别高速脉冲的输入信号。因此，可以通过使用比如双极性晶体管和第二电阻器(上拉电阻器)之类的不昂贵的通用电路元件以及上述包括一个发光二极管和一个光电晶体管的光电耦合器，以低成本实现高响应速度。
根据本发明的实施例，可以提供以低成本实现高响应速度的数字输入电路。
附图说明
根据结合附图给出的下述对实施例的描述，本发明的目的和特征将变得显而易见，在附图中：
图1例示了示出根据本发明的一个实施例的数字输入电路的电路图；
图2例示了常规通用PLC单元的方框图；和
图3例示了示出常规数字输入电路的电路图。
具体实施方式
将参照附图描述本发明的实施例，所述附图构成所述实施例的一部分。
根据本发明的实施例的数字输入电路2可以在例如图2中示出的可编程逻辑控制器(PLC)单元1’的隔离单元19’中使用，并且该数字输入电路2包括通用光电耦合器，该光电耦合器用作信号传输元件，并且具有一个发光二极管和一个光电晶体管。具体地，如图1所示，数字输入电路2包括一对输入端子T3和T4，通过该对端子从例如图2中示出的外部装置11’输入数字电压输入信号；用作信号传输元件的通用光电耦合器PC5，用来将输入信号从输入端子T3和T4传输到微型计算机(下文中，简称为“微机”)12，并且该通用光电耦合器PC5具有一个发光二极管LD6和一个光电晶体管PT8；以及通用双极性晶体管TR13，该通用双极性晶体管TR13允许所述微机12通过所述光电晶体管PT8的切换操作，检测来自外部装置的输入信号的电压电平。
微机12包括用于检测来自外部装置的输入信号的电压电平(高电平或低电平)的输入端口T1。在该PLC中，在微机12中识别来自外部装置的输入信号，并且微机12执行在存储器中存储的顺序程序。
光电耦合器PC5包括用作发光元件的发光二极管LD6以及用作受光元件的光电晶体管PT8，该光电晶体管PT8面对发光二极管LD6，该发光二极管LD6和光电晶体管PT8布置在一个封装(例如，树脂封装等)中。在发光二极管LD6和光电晶体管PT8彼此电隔离时，传输输入信号。
在数字输入电路2中，发光二极管LD6经由电阻器R9连接在输入端子T3和T4之间，用于限制电流。电阻器R10与发光二极管LD6并联连接。光电耦合器PC5的光电晶体管PT8的集电极端与电源Vcc的正极侧相连，以及光电晶体管PT8的发射极端经由电阻器R14接地。此外，NPN型晶体管TR13设置在大地和用于上拉微机12的输入端口T1的上拉电阻器R22之间。晶体管TR13的集电极端经由上拉电阻器R22连接(上拉)到电源Vcc的正极侧，以及晶体管TR13的发射极端直接接地。此外，晶体管TR13的基极与光电晶体管PT8的发射极端和电阻器R14之间的连接节点A相连。晶体管TR13的集电极端和上拉电阻器R22之间的连接节点与微机12的输入端口T1相连。
在这种情况下，当在没有向数字输入电路2施加输入信号的同时将Vcc功率提供给数字输入电路2时，输入端口T1的电压电平变为高电平(电源Vcc的电压电平)。来自外部装置的输入信号的电压电平由具有这种输入端口T1的微机12检测。
在下文中，将描述根据本发明的实施例的数字输入电路2的操作。
例如，如果从外部装置输入的输入信号的电压电平从低变到高，则在输入端子T3和T4之间施加二极管导通电压。相应地，发光二极管LD6导通，并且电流I11在光电耦合器PC5的发光二极管LD6’中流动。结果是，光电晶体管PT8变为导通状态。以电阻器R14和光电晶体管PT8的发射极端之间的连接节点A的电势，对晶体管TR13的基极/发射极进行偏置，并且晶体管TR13导通。因此，微机12的输入端口T1的电压电平从高(电源Vcc的电压电平)变到低。
相应地，当光电晶体管PT8处于导通状态时，电阻器R14和光电晶体管PT8的发射极端之间的连接节点A处的电势变为等于晶体管TR13的基极-发射极电压。因此，在光电晶体管PT8的集电极-发射极电压不会变为0V的同时，集电极电流在光电晶体管PT8中流动。因此，可以在其中在将光电晶体管PT8维持为非饱和状态的同时导通和截止晶体管TR13的状态下，在微机12的输入端口T1处识别输入信号的电压电平。
如果从外部装置输入的输入信号的电压电平从高变到低，则在输入端子T3和T4之间施加二极管导通电压。相应地，发光二极管LD6截止，并且电流I11不在光电耦合器PC5的发光二极管LD6’中流动。因此，光电晶体管PT8变为截止状态。如果光电晶体管PT8变为截止状态，则集电极电流不会在光电晶体管PT8中流动，并且因此晶体管TR13的基极/发射极未被正向偏置。相应地，晶体管TR13也变为截止状态，并且微机12的输入端口T1的电压电平从低变到高(电源Vcc的电压电平)。
相应地，在包括这种具有与具有图1中示出的电路配置的数字输入电路2的晶体管TR13的集电极端和上拉电阻R22之间的连接节点相连的输入端口T1的微机12的PLC中，可以通过该微机12来检测来自外部装置的输入信号的电压电平中的变化(高电平或低电平)。
在上述数字输入电路2中，光电晶体管PT8的发射极端经由电阻器R14接地。双极性晶体管TR13设置在大地和用于上拉微机12的输入端口T1的上拉电阻器R22之间。在晶体管TR13中，集电极端与上拉电阻器R22相连，以及发射极端接地。晶体管TR13的基极端与光电晶体管PT8的发射极端和电阻器R14之间的连接节点A相连。相应地，当光电晶体管PT8导通时，连接节点A处的电势变为等于双极性晶体管TR13的基极-发射极电压。因此，光电晶体管PT8的集电极-发射极电压不会变为0V。因此，可以在其中在将光电晶体管PT8维持为非饱和状态的同时导通和截止双极性晶体管TR13的状态下，在微机12的输入端口T1识别输入信号。此外，由于光电晶体管PT8的集电极-发射极电压摆动小，所以光电晶体管PT8的镜像效应很难发生。
在根据本发明的上述实施例的数字输入电路2中，可以在光电晶体管PT8没有处于饱和状态且光电晶体管PT8的集电极-发射极电压在小范围内变化时，执行切换操作。相应地，当光电晶体管PT8的状态从导通状态变为截止状态时，可以缩短由于所述镜像效应和光电晶体管PT8的基极存储时间时间而发生的响应延迟。此外，尽管具有高响应速度的光电耦合器未被用作信号传输元件，但是可以利用包括一个发光二极管LD6和一个光电晶体管PT8的通用光电耦合器PC5，在所述微机12的输入端口T1处识别高速脉冲的输入信号。因此，可以通过使用比如晶体管TR13和上拉电阻器R22之类的不昂贵的通用电路元件以及上述通用光电耦合器PC5，以低成本实现高响应速度。
尽管已经相关于上述实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可以在不背离下述权利要求所限定的本发明的范围的情况下，进行各种改变和修改。
Claims (1)
1.一种数字输入电路，包括：
一对输入端子，通过该对输入端子输入数字电压信号的输入信号；
电源；
用作信号传输元件的光电耦合器，用于将所述输入信号从所述输入端子传输到微型计算机的输入端口，并且所述光电耦合器具有一个发光二极管和一个光电晶体管，其中所述光电耦合器的发光二极管连接在所述输入端子之间，所述光电晶体管的集电极连接到所述电源的正极侧，以及所述光电晶体管的发射极经由第一电阻器接地；
第二电阻器，用于上拉所述微型计算机的输入端口；以及
设置在大地和所述第二电阻器之间的双极性晶体管，其中所述双极性晶体管的集电极连接到所述第二电阻器，所述双极性晶体管的发射极接地，以及所述双极性晶体管的基极连接到所述光电晶体管的发射极和所述第一电阻器之间的连接节点。
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