CN103097903B - 感测二进制信号的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
提供用于感测二进制信号（450）的装置（400）。该装置包括用于测量信号的信号水平的部件（410）、用于确定测量的信号水平是“低”还是“高”的部件（420）、用于提供可变输入阻抗的部件（430）以及用于响应测量的信号水平而控制输入阻抗的部件（440）。可变输入阻抗可通过晶体管（T）和电阻器（R）并且通过使用脉宽调制控制晶体管的占空比而提供。优选地，对于低信号水平将输入阻抗控制为低并且对于高信号水平控制为高，这导致二进制信号的更可靠感测。装置可用于检测经受由潮湿和/或污染环境引起的寄生电阻的接触换能器的状态。此外，提供感测二进制信号的方法。
Description
技术领域
本发明一般来说涉及数字信号的处理，并且更具体地涉及数字输入信号的感测。
背景技术
在污染且潮湿的环境中，即，在具有高空气湿度的区域中，例如在配电系统中使用的数字接触换能器可能经受断开触点上的低寄生电阻。这样的低电阻可导致源于接触换能器的信号的错误检测并且随后可导致换能器状态的错误确定。这进而可引起输电系统的至少部分的不需要的关闭。
此外，由高阻抗接地电池供电的数字输入电路也可由于电池馈电线上的接地故障而经受数字输入信号的错误感测。
为了使数字输入信号的感测更可靠，可使用具有长的滤波时间的低阻抗数字输入。然而，这样的输入经受高功率损失和慢的信号检测。如在WO 2008/148793 A1中公开的备选解决方案利用输入信号水平的变化率。
发明内容
本发明的目的是对上文的技术和现有技术提供更有效的备选。
更具体地，本发明的目的是提供数字信号的更可靠感测。
本发明的这些和其他目的通过具有独立权利要求1中限定的特征的装置并且通过独立权利要求9中限定的方法实现。本发明的实施例通过从属权利要求来表现特征。
为了描述本发明的目的，假设二进制信号表示在任何时间两个离散状态中的任一个，称为逻辑状态。这两个状态通常分别指示为“高”和“低”，或“0”（零）和“1”（一）。然而，尽管二进制信号可用于表示两个截然不同的状态中的任一个，二进制信号的信号水平典型地由于噪声、接地问题、不稳定的电力供应或不良接触而波动，并且可获得与两个截然不同的值不同的值。因此，为了确定任两个逻辑状态中的哪一个由二进制信号表示，信号水平与两个非重叠信号水平范围（其与这两个状态关联）比较。例如，在高态有效逻辑的情况下，如果信号水平在第一较低范围内则信号视为表示逻辑低状态，并且如果信号水平在第二较高范围内则信号视为表示逻辑高状态。另一方面，在低态有效逻辑的情况下，逻辑状态与信号水平范围之间的对应性相反。取决于用于实现用于感测二进制信号的输入电路的技术，不同的电压水平用于限定与逻辑状态关联的信号水平范围。
根据本发明的第一方面，提供用于感测二进制信号的装置。该装置包括用于测量信号的信号水平的部件、用于确定测量的信号水平是表示逻辑低状态还是逻辑高状态的部件、用于提供可变输入阻抗的部件以及用于控制输入阻抗的部件。响应测量的信号水平而控制该输入阻抗。
根据本发明的第二方面，提供感测二进制信号的方法。该方法包括测量信号的信号水平、确定测量的信号水平是表示逻辑低状态还是逻辑高状态、提供可变输入阻抗和控制输入阻抗。响应测量的信号水平而控制该输入阻抗。
本发明利用以下理解：二进制信号的感测（即给定二进制信号是表示逻辑低状态还是逻辑高状态的确定）可通过在二进制信号的感测中利用可变输入阻抗而改善。
使用可变输入阻抗是有利的，因为输入阻抗可适合于实际信号水平，由此避免或至少减轻与具有低的固定阻抗的已知数字输入关联的缺陷。特别地，使得输入阻抗适合于输入信号的实际水平允许最优化感测灵敏性并且最小化干扰的影响。
根据本发明的一实施例，输入阻抗对低信号水平控制为低并且对高信号水平控制为高。在描述输入阻抗和信号水平中使用的术语“低”和“高”要理解为指示两个限制情况之间的关系。换句话说，高输入阻抗要理解为大大高于低输入阻抗。输入阻抗例如可被控制以随着信号水平增加而单调增加。
在低信号水平使用低输入阻抗以及在高信号水平使用高输入阻抗使通过数字输入感测二进制信号更可靠。更具体地，仅在低信号水平使用低输入阻抗减轻与在高信号水平的低阻抗输入关联的缺点，例如由于高信号电流引起的高功率损失。这样，数字输入的功率耗散可保持为低的，而没有使干扰水平下降。此外，如果根据本发明的一实施例用于感测二进制信号，当与固定阻抗输入相比时，对正常逻辑高信号的干扰的灵敏性可低得多。
此外，本发明的一实施例是有利的，因为与高阻抗接地电池系统关联的问题被减轻，即，可避免由于电池馈电线上的故障造成的接触换能器状态的错误检测。
根据本发明的一实施例，控制输入阻抗以对于小于第一阈值的信号水平具有第一值和对于大于第二阈值的信号水平具有第二值。该第一值小于该第二值，并且该第一阈值小于或等于该第二阈值。换句话说，控制输入阻抗使得它低到某一信号水平（第一阈值）并且对于第二阈值以上的信号水平而增加。这对正常逻辑低和正常逻辑高信号两者都导致滞后。
根据本发明的另一个实施例，第一阈值和第二阈值相等。在该情况下，这两个阈值一致并且构成对输入阻抗的转变水平，其获得该转变水平以下的低值以及该转变水平以上的高值。换句话说，输入阻抗之间的函数关系是阶跃函数的函数关系。转变水平例如可以等于逻辑低与逻辑高之间的转变的信号水平。
根据本发明的另一实施例，对于大于第一阈值并且小于第二阈值的信号水平，控制输入阻抗以随着信号水平增加而增加。从而，如果两个阈值不一致，对于在第一和第二阈值之间的信号水平，输入阻抗可随着信号水平的增加而单调增加。输入阻抗例如在第一和第二阈值之间的区中可线性增加。作为一备选，它可获得一个或若干恒定值，使得输入阻抗与信号水平之间的函数关系类似于多个阶跃函数的组合。
根据本发明的一实施例，用于提供可变输入阻抗的部件包括双极晶体管和电阻器，并且用于控制输入阻抗的部件被布置用于使用脉宽调制（PWM）控制输入阻抗。电阻器与晶体管的集电极串联连接。将晶体管与电阻器结合使用是提供可变且可控输入阻抗的简单方法。这允许通过利用PWM控制晶体管的占空比而调整输入阻抗，如在下文进一步阐明的。
根据本发明的一实施例，装置可被包括在数字输入中。用根据本发明的第一方面的装置配置数字输入是有利的，因为二进制输入信号的感测变得更可靠。
根据本发明的一实施例，装置可被包括在配电系统变电站的控制单元中。用根据本发明的第一方面的装置配置这样的控制单元是有利的，因为使得二进制输入信号的感测更可靠，由此避免或至少减轻由于接触换能器状态的错误感测引起的不需要的关闭。
将意识到本发明的一实施例可使用电子组件、集成电路（IC）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）和/或复杂的可编程逻辑装置（CPLD）或其任何组合来构造。还将意识到任何电路至少可以部分被处理部件（例如，运行适当软件的处理器）所取代。
即使已经关于二进制信号（即，表示两个截然不同的状态中的任一个的信号）的感测描述本发明，可容易地设想一般来说能够感测数字信号（即，表示多于两个截然不同的状态的信号）的本发明的实施例。
当研究下列详细公开、图和随附权利要求时，本发明的另外的目的、特征和优点将变得明显。本领域内技术人员认识到本发明的不同特征可以组合来创建与下面描述的那些不同的实施例。
附图说明
本发明的上面以及另外的目的、特征和优点将参考附图通过本发明的实施例的下列说明性而非限制性的详细描述而更好理解，其中：
图1图示配电系统的部分。
图2示出根据本发明的一实施例的数字输入。
图3图示根据本发明的实施例的输入阻抗与信号水平之间的关系。
图4示出根据本发明的另一个实施例的数字输入。
所有图是示意性的，不一定按比例绘制，并且一般仅示出为了阐述本发明所必需的部分，其中其他部分可被省略或只被暗示。
具体实施方式
为了描述本发明的目的，配电系统的部分在图1中勾勒。注意仅示出对阐述本发明有关的部分，而其他部分被省略。
配电系统100包括用于监测和/或控制配电系统100的单元110。例如，单元110可配置用于检测接触换能器120的状态，即换能器120是断开还是闭合。诸如换能器120的接触换能器的状态例如可用于指示断路器或诸如此类的状态。
接触换能器120（其在图1中图示为机械开关）由电池130供电并且连接到单元110的数字输入150。该数字输入150具有输入阻抗Rin，其可用于检测换能器120的状态，如本领域内已知的。例如，可布置数字输入150用于检测输入阻抗Rin上的电压降，该电压降的大小指示换能器120的状态。特别地，如果换能器120处于它的闭合状态，则通过换能器120的电流导致输入阻抗Rin上相当大的电压降。
在配电系统中通常遇到的问题是例如换能器120的接触换能器可能暴露于灰尘和/或潮湿。换能器120例如可位于具有高空气湿度的环境140中。这样的污染和/或潮湿环境可导致断开触点上的寄生电阻。这在图1中图示，其示出断开换能器120上的寄生电阻Rpar。寄生电阻Rpar可导致换能器120的状态的错误检测，并且随后导致不需要的关闭或相似的不需要的测量。
参考图2，描述根据本发明的数字输入的一实施例。数字输入200例如可布置为参考图1描述的单元110中的输入150。
数字输入200包括为了感测信号250是表示逻辑低状态还是逻辑高状态的目的用于接收二进制输入信号250的部件。例如，参考图1描述的接触换能器（例如由电池130供电的换能器120）可为了感测换能器120的状态目的而连接到数字输入200。
输入200进一步包括用于测量输入信号250的信号水平的部件210、用于确定测量的信号水平是表示逻辑低状态还是逻辑高状态的部件220、用于提供可变输入阻抗的部件230（其在图2中图示为可变电阻器），以及用于响应测量的信号水平而控制输入阻抗的部件240。
输入信号250的实际逻辑状态的确定（所述确定由部件220执行）例如可通过测量输入阻抗230上的电压降并且通过将测量的电压降与对两个逻辑状态限定的阈值比较而实现。关于输入信号250的检测状态的信息可随后经由输出260提供给其他单元。
控制输入200的输入阻抗230的能力可用于使输入信号250的感测更可靠。这例如可通过控制输入阻抗230使得它在任何时间适合于信号250的实际信号水平（即适合于任何给定的信号水平）而实现。优选地，调整输入阻抗230使得输入200的灵敏性被最大化，而同时最小化输入的干扰水平。期望的输入阻抗（由部件230提供）与信号250的测量信号水平之间的函数关系在下面描述。
注意，即使部件230已经描述为提供输入阻抗，并且图示为图2中的可变电阻器，它可能不是对数字输入200的输入阻抗的唯一贡献。相反，数字输入的输入阻抗（例如在图1中示出的输入阻抗Rin）除普通电阻器外还具有另外的贡献，所述贡献源于数字输入的其他电子组件。为了描述本发明的目的，用于提供可变输入阻抗的部件（例如部件230）要理解为表示数字输入的总输入阻抗Rin的主要部分。因此，数字输入的输入阻抗Rin可通过控制用于提供输入阻抗的部件而被控制。
在图3中，输入阻抗Rin与测量的信号水平Vin之间的关系由若干示例图示。例如，可控制输入阻抗以对在某一转变水平313以下的信号水平获得低值311，以及对在转变水平313以上的信号水平获得高值312。该函数关系类似于阶跃函数并且在图310中图示。转变水平313例如可等于对逻辑低与逻辑高之间的转变限定的转变水平。例如，如果采用CMOS技术实现数字输入，并且输入信号的水平在0和Vcc之间，其中Vcc是供应电压，低到高转变的转变水平典型地等于Vcc/2。从而，0和Vcc/2之间的信号水平指示逻辑低状态，而Vcc/2和Vcc之间的信号水平指示逻辑高状态。然而，本发明不限于转变水平的该选择。
根据另一个函数关系，在图320中图示的，输入阻抗可对在第一阈值323以下的信号水平设置为低值321，可被控制以对于在第一阈值323以上和第二阈值324以下的信号水平而增加，并且可对在第二阈值324以上的信号水平设置为高值322。在第一323与第二阈值324之间的区中，可控制输入阻抗以随着信号水平线性增加。
输入阻抗与信号水平之间的再另一个关系在图330中图示。勾勒的关系类似于在图320中图示的关系但被平滑。输入阻抗在低信号水平获得低水平331并且随着信号水平增加而缓慢增加。大约在第一阈值333，控制输入阻抗以随着信号水平而更快地增加。然后，大约在第二阈值334，控制输入阻抗以再次缓慢增加并且最终到达它的最大值332。
最后，输入阻抗与信号水平之间的关系的再另一示例在图340中图示。后一个关系类似于多个阶跃函数的组合。在低信号水平，即第一阈值344以下，输入阻抗设置为低值341。在第一阈值344以上并且在第二阈值345以下，输入阻抗设置为中间值343。对于在第二阈值345以上的信号水平，输入阻抗设置为高值342。
在下面，参考图4描述本发明的另一个实施例。参考图2描述，数字输入400与输入200相似，因为它包括用于测量输入信号450的信号水平的部件410、用于确定测量的信号水平是表示逻辑低状态还是逻辑高状态的部件420以及用于公布确定的状态的输出460。
数字输入400进一步包括用于提供可变输入阻抗的部件430，所述部件包括晶体管T和电阻器R，该电阻器R与晶体管T的集电极串联连接。此外，用于响应测量的信号水平而控制输入阻抗的部件440被布置用于使用PWM控制输入阻抗。后一个技术牵涉通过供应周期脉冲给晶体管的基极而控制晶体管T的占空比，即与时间周期相比晶体管处于它的导通状态的时间。可通过调整周期脉冲的宽度控制占空比。至此，可通过控制晶体管T的占空比而在最小与最大值之间调整输入阻抗。最小值与最大值之间的差由电阻器R的值指定。
可使用电子组件、容易得到的电路或运行适当软件的处理器来构造用于控制输入阻抗的部件440。根据参考图3讨论的函数关系中的任一个，或根据适合于随手应用的任何其他函数关系，部件440可布置成响应测量的信号水平而控制输入阻抗。
本领域内技术人员认识到本发明绝不限于上文描述的实施例。相反地，许多修改和变化可能在随附权利要求的范围内。例如，可容易设想使用低态有效逻辑而不是高态有效逻辑的本发明的实施例。此外，可采用与上文公开的PWM受控晶体管-电阻器组合不同的任何其他方法来提供可变输入阻抗。例如，可设想一种电子组件，其在供应有电压时通过该组件提供可变电阻，该电阻是供应电压的单调增函数。
总之，提供用于感测二进制信号的装置。该装置包括用于测量信号的信号水平的部件、用于确定测量的信号水平是“低”还是“高”的部件、用于提供可变输入阻抗的部件以及用于响应测量的信号水平而控制输入阻抗的部件。可通过晶体管和电阻器并且通过使用PWM控制晶体管的占空比而提供可变输入阻抗。优选地，对于低信号水平将输入阻抗控制为低并且对于高信号水平控制为高，这导致二进制信号的更可靠感测。装置可用于检测经受由潮湿和/或污染环境引起的寄生电阻的接触换能器的状态。此外，提供感测二进制信号的方法。
Claims (10)
1.一种感测二进制信号的方法，所述二进制信号指示接触换能器的逻辑状态，并且所述方法用于在装置中使用以用于感测所述二进制信号，所述方法包括：
测量所述二进制信号的信号水平，
响应测量的信号水平而控制所述装置的输入阻抗（310，320，330，340），使得所述输入阻抗（310，320，330，340）被控制为对于小于第一阈值（313，323，333，344）的信号水平具有第一值（311，321，331，341）并且对于大于第二阈值（313，324，334，345）的信号水平具有第二值（312，322，332，342），所述第一值小于所述第二值，并且所述第一阈值小于或等于所述第二阈值，以及
确定所述测量的信号水平是指示表示逻辑低状态还是逻辑高状态的电压水平。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一阈值（313）和所述第二阈值（313）相等。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述输入阻抗（320，330，340）被控制为对于大于所述第一阈值（323，333，344）并且小于所述第二阈值（324，334，345）的信号水平随着信号水平的增加而增加。
4.如权利要求1所述的方法，其中，使用脉宽调制PWM控制所述输入阻抗。
5.一种用于感测二进制信号（250，450）的装置（200，400），所述二进制信号（250，450）指示接触换能器的逻辑状态，所述装置包括：
用于提供可变输入阻抗的部件（230，430）；
用于测量所述二进制信号的信号水平的部件（210，410），
用于响应测量的信号水平而控制所述输入阻抗的部件（240，440），其中用于控制所述输入阻抗的所述部件（230，430）布置成控制所述输入阻抗（310，320，330，340）以对于小于第一阈值（313，323，333，344）的信号水平具有第一值（311，321，331，341）并且对于大于第二阈值（313，324，334，345）的信号水平具有第二值（312，322，332，342），所述第一值小于所述第二值，并且所述第一阈值小于或等于所述第二阈值；以及
用于确定所述测量的信号水平是指示表示逻辑低状态还是逻辑高状态的电压水平的部件（220，420）。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述第一阈值（313）和所述第二阈值（313）相等。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述输入阻抗（230，430；320，330，340）被控制为对于大于所述第一阈值（323，333，344）并且小于所述第二阈值（324，334，345）的信号水平随着信号水平的增加而增加。
8.如权利要求5所述的装置，其中，用于提供可变输入阻抗的所述部件（430）包括双极晶体管（T）和电阻器（R），所述电阻器与所述晶体管的集电极串联连接，并且用于控制所述输入阻抗的所述部件（440）布置用于使用脉宽调制PWM控制所述输入阻抗。
9.一种数字输入（150）设备，包括如权利要求5至8中的任一项所述的装置。
10.一种控制单元（110），用于配电系统变电站，所述控制单元包括如权利要求5至8中的任一项所述的装置。
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