CN103199826A - 模拟信号通道切换电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟信号通道切换电路，第一和第二模拟信号经过模拟信号输入通道传输至通道选择模块的模拟开关芯片，比较器接收并判断通道选择信号是否大于或等于有效阈值。若是则输出第一状态至模拟开关芯片，若否则输出第二状态至模拟开关芯片，模拟开关芯片根据接收到的状态选择输出接收的信号，模拟开关芯片选择输出的信号经模拟信号输出通道输出。用模拟开关芯片代替继电器，根据接收的通道选择信号对模拟信号进行选择输出，切换速度快，而且属于非机械触点切换，在频繁开关的条件下不会产生机械疲劳，使用寿命长。此外，本发明还提供一种模拟信号通道切换方法。

Description

模拟信号通道切换电路及方法

技术领域

本发明涉及信号切换技术，特别是涉及一种模拟信号通道切换电路及方法。

背景技术

模拟信号通道的切换技术在机床的电气控制中起着重要作用，电气控制有时需要进行多路信号和参数的采集控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难。并且对于多路，比如对上百路信号进行采集，每路单独采用一个回路几乎是不可能的。因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D（Analog-to-Digital，模数转换）外，通常采用公共的采样/保持及A/D转换电路（有时甚至可将某些放大电路共用），利用多路开关进行模拟信号的选择控制。

另外，在机床控制中，有时需要在两路或以上的模拟信号中切换，选择其中一路驱动执行机构。

传统的模拟信号通道切换是使用继电器来实现的，通过控制继电器的吸合和释放来切换模拟信号通道。一般继电器的吸合需要20ms，释放也需要20ms，固态继电器的吸合和释放的时间都需要10ms。利用继电器进行模拟信号通道切换存在通道切换速度慢的问题，继电器的机械特性也导致其在频繁开闭的条件下容易产生机械疲劳，存在使用寿命短的缺点。

发明内容

基于此，有必要提供一种通道切换速度快、使用寿命长的模拟信号通道切换电路及方法。

一种模拟信号通道切换电路，包括：模拟信号输入通道，包括第一通道和第二通道，所述第一和第二通道分别用于接收第一模拟信号和第二模拟信号；比较器，所述比较器的输入端接收通道选择信号，所述比较器用于判断所述通道选择信号是否大于或等于有效阈值，所述比较器的第一输出端和第二输出端在所述通道选择信号大于或等于所述有效阈值时输出第一状态，在所述通道选择信号小于所述有效阈值时输出第二状态；通道选择模块，包括模拟开关芯片，所述模拟开关芯片的第一输入端和第二输入端分别与所述第一通道和第二通道连接，第一控制端和第二控制端分别与所述比较器的第一输出端和第二输出端连接，所述模拟开关芯片在接收到所述第一状态时由所述模拟开关芯片的输出端选择输出通过所述模拟开关芯片的第一输入端接收的信号，在接收到所述第二状态时由所述模拟开关芯片的输出端选择输出通过所述模拟开关芯片的第二输入端接收的信号；模拟信号输出通道，与所述模拟开关芯片的输出端连接，所述模拟信号输出通道的输出端输出所述模拟开关芯片选择输出的信号。

在其中一个实施例中，所述模拟开关芯片为CD4066芯片，所述比较器为双输出单限电压比较器。

在其中一个实施例中，所述模拟信号输入通道包括第一输入运算电路和第二输入运算电路，所述第一通道通过所述第一输入运算电路与所述模拟开关芯片的第一输入端连接，所述第二通道通过所述第二输入运算电路与所述模拟开关芯片的第二输入端连接，所述第一输入运算电路和第二输入运算电路分别用于将所述第一模拟信号和第二模拟信号按比例变换为所述CD4066芯片能够处理的电压范围；所述模拟信号输出通道包括输出运算电路，所述输出运算电路用于将所述模拟开关芯片输出的模拟信号变换为经所述模拟信号输入通道变换前的电压大小后输出。

在其中一个实施例中，所述模拟信号通道切换电路包括与所述比较器的输入端连接的光电隔离电路，所述通道选择信号经所述光电隔离电路传输至所述比较器。

在其中一个实施例中，所述模拟信号通道切换电路包括与所述模拟信号输出通道的输出端连接的输出保护电路，所述输出保护电路用于进行过压过流保护。

在其中一个实施例中，所述输出第一状态为由所述比较器的第一输出端输出正5伏电压，第二输出端输出负5伏电压；所述输出第二状态为由所述比较器的第一输出端输出负5伏电压，第二输出端输出正5伏电压。

在其中一个实施例中，所述模拟信号通道切换电路还包括供电模块，所述供电模块与所述模拟信号输入通道、通道选择模块及模拟信号输出通道连接，所述供电模块为所述模拟信号输入通道、通道选择模块及模拟信号输出通道提供工作电压。

一种模拟信号通道切换方法，包括以下步骤：接收第一模拟信号和第二模拟信号；接收通道选择信号；判断所述通道选择信号是否大于或等于有效阈值；若是，则输出第一状态；若否，则输出第二状态；接收到所述第一状态后输出所述第一模拟信号；接收到所述第二状态后输出所述第二模拟信号。

在其中一个实施例中，所述接收通道选择信号步骤之后，判断所述通道选择信号是否大于或等于有效阈值的步骤之前包括对所述通道选择信号进行光电隔离的步骤。

上述模拟信号通道切换电路及方法，第一和第二模拟信号经过模拟信号输入通道传输至通道选择模块中的模拟开关芯片，比较器接收并判断通道选择信号是否大于或等于有效阈值，若是则输出第一状态至模拟开关芯片，若否则输出第二状态至模拟开关芯片，模拟开关芯片接收到第一状态后选择输出通过模拟开关芯片的第一输入端接收的信号，接收到第二状态后选择输出通过模拟开关芯片的第二输入端接收的信号，由模拟开关芯片选择输出的信号经模拟信号输出通道输出。用模拟开关芯片代替继电器，根据接收的通道选择信号对模拟信号进行选择输出，切换速度快，而且属于非机械触点切换，在频繁开关的条件下不会产生机械疲劳，使用寿命长。

附图说明

图1为一实施例中模拟信号通道切换电路的结构图；

图2为另一实施例中模拟信号通道切换电路的结构图；

图3为一实施例中模拟信号通道切换方法的流程图；

图4为另一实施例中模拟信号通道切换方法的流程图。

具体实施方式

传统的模拟信号通道切换是使用继电器来实现的，通过控制继电器的吸合和释放来切换模拟信号通道。一般继电器的吸合需要20ms，释放也需要20ms，固态继电器的吸合和释放的时间都需要10ms。利用继电器进行模拟信号通道切换存在通道切换速度慢的问题，继电器的机械特性也导致其在频繁开闭的条件下容易产生机械疲劳，存在使用寿命短的缺点。

针对上述问题，本发明提供了一种模拟信号通道切换电路，如图1所示，包括模拟信号输入通道110、比较器120、通道选择模块130和模拟信号输出通道140。

模拟信号输入通道110包括第一通道112和第二通道114，第一通道112和第二通道114分别用于接收第一模拟信号和第二模拟信号。

比较器120的输入端接收通道选择信号，通道选择信号由模拟信号通道切换电路外部输入，其电压大小可根据实际情况调整，本实施例中比较器120可采用双输出单限电压比较器。

比较器120判断通道选择信号是否高于有效阈值，即判断通道选择信号是高电平还是低电平，本实施例中高电平的典型值为24V，比较器120的第一输出端和第二输出端在通道选择信号为高电平时输出第一状态，在通道选择信号为低电平时输出第二状态。可以理解，有效阈值并不唯一，可根据实际情况进行调整。

具体地，输出第一状态可以是指由比较器120的第一输出端输出正5伏电压，第二输出端输出负5伏电压；输出第二状态可以是指由比较器120的第一输出端输出负5伏电压，第二输出端输出正5伏电压。本实施例中用1表示正5伏，用0表示负5伏，则第一状态为10，第二状态为01。

通道选择模块130包括模拟开关芯片132，本实施例中模拟开关芯片为CD4066芯片，CD4066芯片内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换，当控制端加正5伏时开关导通；当控制端加负5伏或无电压接入时开关截止。CD4066芯片具有阻抗稳定、各开关之间串扰小等特点。在其他实施例中模拟开关芯片132也可采用C544、CC4066、TC4066、μPD4066等芯片。

模拟开关芯片132的第一输入端和第二输入端分别与第一通道112和第二通道114连接，模拟开关芯片132的第一控制端和第二控制端分别与比较器120的第一输出端和第二输出端连接，模拟开关芯片132的第一输出端和第二输出端并接在一起作为模拟开关芯片132的输出端。模拟开关芯片132在接收到第一状态10时由模拟开关芯片132的输出端选择输出通过模拟开关芯片132的第一输入端接收的信号，在接收到第二状态01时由模拟开关芯片132的输出端选择输出通过模拟开关芯片132的第二输入端接收的信号。

模拟信号输出通道140与模拟开关芯片132的输出端连接，模拟信号输出通道140的输出端输出模拟开关芯片132选择输出的信号。

上述模拟信号通道切换电路，第一和第二模拟信号经过模拟信号输入通道110传输至通道选择模块130中的模拟开关芯片132，比较器120接收并判断通道选择信号是否大于或等于有效阈值，若是则输出第一状态至模拟开关芯片132，若否则输出第二状态至模拟开关芯片132，模拟开关芯片132接收到第一状态后选择输出通过模拟开关芯片132的第一输入端接收的信号，在接收到第二状态后选择输出通过模拟开关芯片132的第二输入端接收的信号，由模拟开关芯片132选择输出的信号经模拟信号输出通道140输出。用模拟开关芯片代替继电器，根据接收的通道选择信号对模拟信号进行选择输出，切换速度快，而且属于非机械触点切换，在频繁开关的条件下不会产生机械疲劳，使用寿命长，在切换时也不会产生电火花，避免出现击穿空气放电的现象。

经试验，上述模拟信号通道切换电路在切换模拟信号通道时，每次切换时间为50微秒，切换频率为10KHz。与传统的继电器切换相比，切换速度更快。

图2为图1的一个更详细的实施例，模拟信号通道切换电路输入和输出的模拟信号电压范围均为负10伏至正10伏。模拟信号输入通道110包括第一输入运算电路113和第二输入运算电路115，模拟信号输出通道140包括输出运算电路142。

第一通道112通过第一输入运算电路113与模拟开关芯片132的第一输入端连接，第二通道114通过第二输入运算电路115与模拟开关芯片132的第二输入端连接，第一输入运算电路113和第二输入运算电路115分别用于将第一模拟信号和第二模拟信号按比例变换为CD4066芯片能够处理的电压范围，即负5伏至正5伏。输出运算电路142用于将模拟开关芯片132输出的信号变换为经模拟信号输入通道110变换前的电压大小后输出。

继续参照图2，模拟信号通道切换电路可包括与比较器120的输入端连接的光电隔离电路150，通道选择信号经光电隔离电路150传输至比较器120，本实施例中光电隔离电路150可采用6N137芯片，在其他实施例中光电隔离电路150也可采用6N139、TLP115、TLP521等芯片。利用光电隔离电路150，以光为媒介传送通道选择信号，有效地对输入和输出电路进行隔离，增强了抗干扰能力。

模拟信号通道切换电路还可包括用于进行过压过流保护的输出保护电路160，输出保护电路160与模拟信号输出通道140的输出端连接。

此外，如图2所示，模拟信号通道切换电路还可以包括供电模块170，供电模块170与模拟信号输入通道110、通道选择模块130和模拟信号输出通道140连接，供电模块170用于为模拟信号输入通道110、通道选择模块130和模拟信号输出通道140提供工作电压。

本发明还提供了一种模拟信号通道切换方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S110：接收第一模拟信号和第二模拟信号。

可用模拟开关芯片来接收第一和第二模拟信号。本实施例中模拟开关芯片采用CD4066芯片，在其他实施例中模拟开关芯片也可以是C544、CC4066、TC4066、μPD4066等芯片。

步骤S120：接收通道选择信号。

根据通道选择信号来选择输出第一或第二模拟信号，通道选择信号的电压大小可根据实际情况调整。

步骤S140：判断通道选择信号是否大于或等于有效阈值。

若是，则进行步骤S150；若否，则进行步骤S160。有效阈值并不是唯一的，可根据实际情况进行调整。

步骤S150：输出第一状态。

输出第一状态后进行步骤S170。

步骤S160：输出第二状态。

输出第二状态后进行步骤S180。

在其中一个实施例中，可用双输出单限电压比较器接收并判断通道选择信号是否高于有效阈值，即判断通道选择信号是高电平还是低电平，本实施例中高电平的典型值为24V，双输出单限电压比较器在通道选择信号为高电平时输出第一状态，在通道选择信号为低电平时输出第二状态。

具体地，输出第一状态可以是指由双输出单限电压比较器的第一输出端输出正5伏电压，第二输出端输出负5伏电压；输出第二状态可以是指由双输出单限电压比较器的第一输出端输出负5伏电压，第二输出端输出正5伏电压。本实施例中用1表示正5伏，用0表示负5伏，则第一状态为10，第二状态为01。

步骤S170：接收到第一状态后输出第一模拟信号。

步骤S180：接收到第二状态后输出第二模拟信号。

模拟开关芯片的控制端接收双输出单限电压比较器输出的第一状态10或第二状态01。模拟开关芯片根据接收到的状态由模拟开关芯片的输出端选择输出接收到的信号。

在其中一个实施例中，在模拟开关芯片接收第一和第二模拟信号之前，可以对第一和第二模拟信号进行输入运算处理，将第一和第二模拟信号按比例变换为模拟开关芯片能够处理的电压范围，并对模拟开关芯片选择输出的信号进行输出运算处理，将模拟开关芯片输出的信号变换为输入运算处理前的电压大小后输出。

上述模拟信号通道切换方法，在接收到第一、第二模拟信号及通道选择信号后，判断通道选择信号是否大于或等于有效阈值，若是则输出第一状态，若否则输出第二状态，在接收到第一状态后输出第一模拟信号，接收到第二状态后输出第二模拟信号。通过判断通道选择信号与有效阈值的大小来输出不同的状态，根据不同的状态选择输出第一或第二模拟信号，实现对模拟信号的输出切换控制。

在其中一个实施例中，如图4所示，步骤S120与步骤S140之间还可包括步骤S130：对通道选择信号进行光电隔离。

本实施例中可利用光电隔离电路对通道选择信号进行光电隔离，以光为媒介传送通道选择信号，有效地对通道选择信号的输入和输出进行隔离，增强了抗干扰能力。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种模拟信号通道切换电路，其特征在于，包括：

模拟信号输入通道，包括第一通道和第二通道，所述第一和第二通道分别用于接收第一模拟信号和第二模拟信号；

比较器，所述比较器的输入端接收通道选择信号，所述比较器用于判断所述通道选择信号是否大于或等于有效阈值，所述比较器的第一输出端和第二输出端在所述通道选择信号大于或等于所述有效阈值时输出第一状态，在所述通道选择信号小于所述有效阈值时输出第二状态；

通道选择模块，包括模拟开关芯片，所述模拟开关芯片的第一输入端和第二输入端分别与所述第一通道和第二通道连接，第一控制端和第二控制端分别与所述比较器的第一输出端和第二输出端连接，所述模拟开关芯片在接收到所述第一状态时由所述模拟开关芯片的输出端选择输出通过所述模拟开关芯片的第一输入端接收的信号，在接收到所述第二状态时由所述模拟开关芯片的输出端选择输出通过所述模拟开关芯片的第二输入端接收的信号；

模拟信号输出通道，与所述模拟开关芯片的输出端连接，所述模拟信号输出通道的输出端输出所述模拟开关芯片选择输出的信号。

2.根据权利要求1所述的模拟信号通道切换电路，其特征在于，所述模拟开关芯片为CD4066芯片，所述比较器为双输出单限电压比较器。

3.根据权利要求2所述的模拟信号通道切换电路，其特征在于，所述模拟信号输入通道包括第一输入运算电路和第二输入运算电路，所述第一通道通过所述第一输入运算电路与所述模拟开关芯片的第一输入端连接，所述第二通道通过所述第二输入运算电路与所述模拟开关芯片的第二输入端连接，所述第一输入运算电路和第二输入运算电路分别用于将所述第一模拟信号和第二模拟信号按比例变换为所述CD4066芯片能够处理的电压范围；

所述模拟信号输出通道包括输出运算电路，所述输出运算电路用于将所述模拟开关芯片输出的模拟信号变换为经所述模拟信号输入通道变换前的电压大小后输出。

4.根据权利要求1所述的模拟信号通道切换电路，其特征在于，所述模拟信号通道切换电路包括与所述比较器的输入端连接的光电隔离电路，所述通道选择信号经所述光电隔离电路传输至所述比较器。

5.根据权利要求1所述的模拟信号通道切换电路，其特征在于，所述模拟信号通道切换电路包括与所述模拟信号输出通道的输出端连接的输出保护电路，所述输出保护电路用于进行过压过流保护。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的模拟信号通道切换电路，其特征在于，所述输出第一状态为由所述比较器的第一输出端输出正5伏电压，第二输出端输出负5伏电压；所述输出第二状态为由所述比较器的第一输出端输出负5伏电压，第二输出端输出正5伏电压。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的模拟信号通道切换电路，其特征在于，所述模拟信号通道切换电路还包括供电模块，所述供电模块与所述模拟信号输入通道、通道选择模块及模拟信号输出通道连接，所述供电模块为所述模拟信号输入通道、通道选择模块及模拟信号输出通道提供工作电压。

8.一种模拟信号通道切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收第一模拟信号和第二模拟信号；

接收通道选择信号；

判断所述通道选择信号是否大于或等于有效阈值；

若是，则输出第一状态；

若否，则输出第二状态；

接收到所述第一状态后输出所述第一模拟信号；

接收到所述第二状态后输出所述第二模拟信号。

9.根据权利要求8所述的模拟信号通道切换方法，其特征在于，所述接收通道选择信号步骤之后，判断所述通道选择信号是否大于或等于有效阈值的步骤之前包括对所述通道选择信号进行光电隔离的步骤。

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