CN104168011B - 一种模拟信号输入电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟信号输入电路，包括信号输入端、信号处理单元、若干切换开关、电流源、电流采样电阻、信号隔断二极管和过流保护电路；其中，所述电流源通过所述切换开关与所述信号处理单元连接，所述电流采样电阻、所述信号隔断二极管和所述过流保护电路均通过所述切换开关与所述信号处理单元连接，且所述过流保护电路分别连接所述信号隔断二极管和所述电流采样电阻。通过该信号处理单元控制不同切换开关的开通或断开，从而实现信号输入过程中各个通道之间的隔离，避免信号采样时各个通道之间的信号干扰，并能够解决目前信号隔离功能的信号输入电路无法对采样电阻进行保护以及三线制电阻采样引线电阻进行简单补偿的功能。

Description

一种模拟信号输入电路

技术领域

本发明涉及模拟信号测量领域，尤其涉及一种模拟信号输入电路。

背景技术

工业现场最基本的测量参数是温度、压力、流量和物位，测量这些参数的主要设备是变送器和传感器，各种变送器和传感器将这些物理量转化为电压、电流、电阻或者数字量信号。对于电流和电压信号，信号采集装置或仪表都具备电流采样电阻和高输入阻抗的采样电路，引线电阻可以忽略不计，但是对于电阻传感器，测量的信号本来就是电阻，由于现场传感器和采样仪表之间往往很远，引线电阻会叠加到真实的信号中，精度要求高的场合就不能忽略，为消除引线电阻误差，电阻一般采用三线制方式测量。

信号采集装置一般可以都输入多路信号，可以同时采集多路电压、电流和三线制电阻等信号，但是工业现场存在很多干扰信号造成干扰，可能导致采样仪表信号不稳定甚至突变。为了克服工业现场干扰，信号采样时需要各个通道之间的信号不相互干扰。

在现有大多数采样电路中均不具备电流采样功能和电阻过流保护功能，与本发明最接近的实现方案如附图1所示，该信号采样电路用五个切换开关来进行信号的隔离和采样，电流信号通过B、C两个端口进行输入，电压信号通过A、C两个端口进行输入，电阻信号通过A、B、C三个端口进行输入。但是，该采样电路具有两个缺陷，一是电阻测量的时候，电流采样电阻和引线电阻并联在一起，导致测量的时候需要软件进行非线性补偿，无法完全消除引线电阻误差；二是电流采样电阻R1在外部误接24V的情况下(比如变送器短路)，导致24V电压直接接入采样电阻，而导致采样电阻上的功率过大烧毁。

因此，有必要提出一种能够对电压、电流、电阻信号进行采样，同时可以方便的消除引线电阻和电流采样电阻过流保护的模拟信号输入电路。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种具备电流采样功能和电阻过流保护功能的模拟信号输入电路。

为了实现上述目的，本发明提供了一种模拟信号输入电路，该模拟信号输入电路包括信号输入端、信号处理单元、若干切换开关、电流源、电流采样电路和过流保护电路；其中，所述电流源通过所述切换开关与所述信号处理单元连接，所述电流采样电路和所述过流保护电路均通过所述切换开关与所述信号处理单元连接，且所述过流保护电路连接所述电流采样电路。

较佳地，所述电流采样电路包括信号隔断二极管和电流采样电阻，所述过流保护电路分别连接所述电流采样电阻和所述信号隔断二极管，所述电流采样电阻用于电流的信号采样，所述信号隔断二极管用于电阻采样时隔断激励电流流经所述电流采样电阻。此时电流采样电阻作为端口输入阻抗的一部分，不会影响引线电阻的消除，可忽略。

较佳地，所述切换开关至少为五个，包括第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关和第五切换开关，所述电流源通过所述第一切换开关连接一信号输入端并通过所述第二切换开关连接所述信号处理单元；一过压保护电路通过所述第三切换开关连接所述信号处理单元；所述电流采样电阻和所述信号隔断二极管与所述过压保护电路连接，并通过所述第四切换开关和第五切换开关连接至所述信号处理单元；从而能够通过该信号处理单元分别控制不同切换开关的开断，使该模拟信号输入电路采集电压信号、电流信号或电阻信号。

较佳地，所述过压保护电路包括一自恢复保险装置和一瞬变电压抑制装置，通过所述瞬变电压抑制装置保护所述电流采样电阻上的电压不会过压，通过所述自恢复保险装置在过流时断开用于保护所述瞬变电压抑制装置不会损坏。

较佳地，所述自恢复保险装置包括一自恢复保险丝，所述瞬变电压抑制装置包括一瞬变电压抑制二极管。

较佳地，所述信号处理单元包括AD芯片和CPU或为包括AD转换电路的CPU芯片。

较佳地，所述信号输入端至少包括三个输入端，且所述切换开关均包括Photomos，通过所述信号处理单元控制所述Photomos的开通和关断。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的模拟信号输入电路，通过设置五个Photomos继电器的切换开关，从而能够通过该模拟信号输入电路对电压信号、电流信号以及电阻信号进行采样，并能够方便的测量和消除引线电阻误差，而且通过该信号处理单元对切换开关的控制实现各个通道之间的隔离，从而避免信号采样时各个通道之间的信号不会相互干扰，提高信号采集效果。

2、本发明的模拟信号输入电路，通过设置该过压保护电路，即通过该自恢复保险丝和瞬变电压抑制二极管组成该过压保护电路，不仅具备过压保护电流，而且能够保护电流采样电阻不受过压损毁，有效提高该模拟信号输入电路的寿命；并且在故障恢复后电流可以再次输入进行采样，从而有效提高仪表的可靠性。

3、本发明的模拟信号输入电路，通过该Photomos切换开关进行切换，对电压信号、电流信号、电阻信号进行采样，同时还能够解决目前信号隔离功能的信号输入电路无法对采样电阻进行保护以及三线制电阻采样引线电阻进行简单补偿的功能。

附图说明

图1为现有技术中的信号采样电路结构示意图；

图2为本发明实施的模拟信号输入电路结构示意图；

图3为本发明模拟信号输入电路实施的电压信号输入结构示意图；

图4为本发明模拟信号输入电路实施的电流信号输入结构示意图；

图5为本发明模拟信号输入电路实施的电阻信号输入结构示意图。

具体实施方式：

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以以不同形式、规格等实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使更多的有关本技术领域的人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚可见，可能放大或缩小了相对尺寸。

现参考图2至图5详细描述根据本发明实施的模拟信号输入电路，如图2所示本发明提供的模拟信号输入电路，该模拟信号输入电路包括信号输入端、信号处理单元、若干切换开关、电流源、电流采样电阻、信号隔断二极管和过流保护电路；其中，该信号处理单元为包括AD芯片的微处理器CPU或包括AD转换电路的CPU芯片，该电流源通过该切换开关与信号处理单元连接，该电流采样电阻、信号隔断二极管和过流保护电路均通过切换开关与信号处理单元连接，该电流采样电阻用于电流的信号采样，该信号隔断二极管用于电阻采样时隔断激励电流流经该电流采样电阻，为了避免影响引线电阻的小组，电阻采样时该电流采样电阻作为端口输入阻抗的一部分，其可以忽略；该过流保护电路分别连接信号隔断二极管和电流采样电阻。

其中，该过压保护电路包括一自恢复保险装置和一瞬变电压抑制装置，通过该瞬变电压抑制装置保护该电流采样电阻上的电压不会过压，通过该自恢复保险装置在过流时断开用于保护该瞬变电压抑制装置不会损坏；且该自恢复保险装置包括一自恢复保险丝，该瞬变电压抑制装置包括一瞬变电压抑制二极管。

在具体实施例中，该信号输入端至少包括三个输入端，该切换开关至少包括五个，包括第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关和第五切换开关，该电流源通过第一切换开关连接一信号输入端A并通过第二切换开关连接该信号处理单元；该过压保护电路通过该第三切换开关连接该信号处理单元；电流采样电阻和信号隔断二极管与该过压保护电路连接，并通过第四切换开关和第五切换开关连接至信号处理单元；从而能够通过该信号处理单元分别控制不同切换开关的开断，使该模拟信号输入电路采集电压信号、电流信号或电阻信号，方便测量和消除引线电阻误差，并实现各个通道之间的隔离，而且该切换开关均包括Photomos，即该切换开关均由Photomos继电器组成，通过该信号处理单元控制该Photomos的开通和关断，具体的，通过该信号处理单元控制该Photomos内部的发光二极管实现该Photomos的通断。

如图2所示，在具体实施过程中，该模拟信号输入电路包括信号输入端A、信号输入端B、信号输入端C、信号处理单元、五个切换开关(包括第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关、第五切换开关)、电流源Ia、电流电阻R1、信号隔断二极管D1和过压保护电路组成，该过压保护电路包括一自回复保险丝FR1和瞬变电压抑制二极管TVS1，该瞬变电压抑制二极管TVS1用于保护该电流采样电阻R1上的电压不会过压，该自恢复保险丝FR1在过流时断开，用以保护该瞬变电压抑制二极管TVS1不会损坏；该信号处理单元包括AD芯片和CPU，或为带AD转换电路的CPU芯片；该电流采样电阻R1用于电流信号的取样，该电流源Ia用于该电流采样电阻R1测量时提供激励电流；该信号隔断二极管D1用于隔离电阻采样时的激励电流不会流过电流采样电阻R1，避免产生非线性误差；该五个切换开关均由Photomos组成，且该Photomos的开通和关断通过该信号处理单元控制该Photomos内部的发光二极管实现；而且在本发明实施的模拟信号输入电路中，当该切换开关全部关闭的时候，外部现场信号和内部信号处理单元将完全被隔离，从而使外部干扰不会影响内部的信号；而当模拟信号输入电路进行工作时，该信号处理单元根据信号类型控制该五个切换开关的开通和关断，从而将外部信号送入内部信号处理单元。

在具体实施过程中，通过该模拟信号输入电路可分别采集电压信号、电流信号和电阻信号。如图3所示为电压信号输入，具体的，当输入信号为电压信号时，电压信号通过信号输入端A和信号输入端C两个端口进行输入，该信号处理单元控制该第一切换开关和第三切换开关断开，并控制该第二切换开关、第四切换开关和第五切换开关开通，该第五切换开关给信号输入端C提供一个偏置基准电压信号VREF，使得信号大小能够送入信号处理单元，由于该信号处理单元的VA、VB和VC输入阻抗很高，端口上均没有电流通过，所以VA和A端口的电压相等，VC和C端口的电压相等，该信号处理单元直接采集VA和VC之间的电压就可以获得输入的电压，且该输入电压为V＝VA-VC。

如图4所示为电流信号的输入，具体的，当输入信号为电流信号时，该电流信号通过信号输入端B和信号输入端C两个端口进行输入，该信号处理单元控制该第一切换开关、第二切换开关和第三切换开关断开，并控制该第四切换开关和第五切换开关开通；该第五切换开关给信号输入端C端提供一个偏置基准电压信号VREF，外部电流通过该自恢复保险丝FR1、信号隔断二极管D1后流过电流采样电阻R1，该电流采样电阻R1两端的电压通过该第四切换开关和第五切换开关送入该信号处理单元，完成切换后，通过该第四切换开关输入至信号处理单元的电压VC和偏置基准电压信号VREF之间的电压即可以得到该电流采样电阻R1上的电压，则最终电流信号输入为(VC-VREF)/R1。在具体实施过程中，当该信号输入端B端和信号输入端C端之间的输入端口误接入24V电压时，该瞬变电压抑制二极管TVS上的电压瞬间上升，该瞬间上升的电压会将该瞬变电压抑制二极管TVS击穿，同时将该电流采样电阻R1上的电压限制到电流采样电阻R1可承受的最大电压以下，且该瞬变电压抑制二极管TVS被击穿以后，通过该自恢复保险丝FR1的电流较大，则该自恢复保险丝FR1变热后开始动作并自动断开保护该瞬变电压抑制二极管TVS不会损坏，同时也保证该电流采样电阻R1不会损毁，故障恢复后电流可以再次输入进行采样，从而提高仪器仪表的可靠性。

如图5所示，当输入信号为电阻信号时，该电阻信号分别通过该信号输入端A、信号输入端B和信号输入端C三个端口进行输入，如图所示该电阻信号为R，该电阻信号R均通过一引线连接至三个端口，且该引线电阻都为r，信号处理单元控制该第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关和第五切换开关均导通，采样时该信号处理单元提供激励电流Ia给外部电阻提供电流，由于该信号处理单元分别与第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关之间的电压VA、VB、VC的输入端口的阻抗很高，电流无法流入，而且该激励电流Ia和引线电阻r都较小，该信号输入端B和信号输入端C两个端口之间的电压为Ia×r，远小于隔断二极管D1的导通电压，所以该电流采样电阻R1上没有电流，则该激励电流Ia流经该第一切换开关、信号输入端A、测量电阻R、信号输入端C、第五切换开关，并最终输入至偏置电压VREF。

其中，该信号处理单元通过该测量电阻R上的电压来计算外部的电阻大小，但是外部现场传感器和仪器仪表往往相距很远，所以需要对该引线电阻r进行补偿；且在具体实施过程中，该电阻采样分具体包括以下步骤：第一步采样VA和VC两端的电压V1，且V1＝Ia×(R+2r)；这时电流采样电阻R1作为内部输入电阻的一部分，可忽略，VC端口电压和信号输入端C端口的电压相等；第二步采样VB和VC两端的电压V2，此时输入端口B的引线电阻r、自恢复保险丝的电阻FR都可认为是输入阻抗的一部分，均可忽略不计，所以VB和VC电压分别和B输入端口、C输入端口的电压相等，所以V2＝Ia×r。所以V1-2V2＝Ia×R，由于该激励电流Ia已知，则可以很方便的计算得出外部输出电阻R的阻值大小。

本发明提供的模拟信号输入电路通过提供一带保护功能的模拟输入信号电路，一方面能够直接采样引线电阻，不需要增加切换开关，即可实现该电阻信号采集；同时本发明还通过该过压保护电路提供过压保护功能，方便用户的使用，有效提高了产品的可靠性及其使用寿命。

在具体实施过程中，该模拟信号输入电路中的信号处理单元不仅可以为包括AD芯片的微处理器CPU，还可以是集成AD电路的CPU芯片；并且该切换开关并不限于本实施例提出的Photomos继电器，还可以通过其他切换开关替代，从而有效实现该模拟输入信号电路的信号采集以及对信号采集通道的隔离，并使其更加具有可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动在内。

Claims (5)

1.一种模拟信号输入电路，其特征在于，包括信号输入端、信号处理单元、若干切换开关、电流源、电流采样电路和过流保护电路；其中，所述电流源通过所述切换开关与所述信号处理单元连接，所述电流采样电路和所述过流保护电路均通过所述切换开关与所述信号处理单元连接，且所述过流保护电路连接所述电流采样电路，

所述电流采样电路包括信号隔断二极管和电流采样电阻，所述过流保护电路分别连接所述电流采样电阻和所述信号隔断二极管，所述电流采样电阻用于电流的信号采样，所述信号隔断二极管用于电阻采样时隔断激励电流流经所述电流采样电阻，

所述切换开关至少为五个，包括第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关和第五切换开关，所述电流源通过所述第一切换开关连接一信号输入端并通过所述第二切换开关连接所述信号处理单元；一过压保护电路通过所述第三切换开关连接所述信号处理单元；所述电流采样电阻和所述信号隔断二极管与所述过压保护电路连接，并通过所述第四切换开关和第五切换开关连接至所述信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的模拟信号输入电路，其特征在于，所述过压保护电路包括一自恢复保险装置和一瞬变电压抑制装置，通过所述瞬变电压抑制装置保护所述电流采样电阻上的电压不会过压，通过所述自恢复保险装置在过流时断开用于保护所述瞬变电压抑制装置不会损坏。

3.根据权利要求2所述的模拟信号输入电路，其特征在于，所述自恢复保险装置包括一自恢复保险丝，所述瞬变电压抑制装置包括一瞬变电压抑制二极管。

4.根据权利要求1所述的模拟信号输入电路，其特征在于，所述信号处理单元包括AD芯片和CPU。

5.根据权利要求1所述的模拟信号输入电路，其特征在于，所述信号输入端至少包括三个输入端，且所述切换开关均包括Photomos，通过所述信号处理单元控制所述Photomos的开通和关断。