CN104635581A

CN104635581A - 一种单片机控制的滞回电压比较器

Info

Publication number: CN104635581A
Application number: CN201510014722.7A
Authority: CN
Inventors: 田文杰
Original assignee: Beijing Union University
Current assignee: Beijing Union University
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2015-05-20

Abstract

本发明提供一种单片机控制的滞回电压比较器，其包括：键盘显示电路、单片机、线性光电耦合电路1、线性光电耦合电路2、D/A转化电路1、D/A转化电路2、数字光电耦合电路和正反馈电压比较器。本发明采用了两个线性光电耦合电路，通过单片机调节两个线性光电耦合电路数的输出电压值，从而实现具有隔离功能而且门槛电压值和回差值可调的滞回电压比较器。

Description

一种单片机控制的滞回电压比较器

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种具有隔离功能而且门槛电压值可调的滞回电压比较器电路。

背景技术

目前在电子测量技术领域，一些信号变换器如滞回电压比较器，在波形转换、噪声抑制以及抗干扰方面用途广泛。为实现滞回电压比较器的门槛电压值连续可调，常用的方法是通过单片机编程软件来实现，但这种单片机编程软件实现方法往往带来单片机负担过重的问题。此外，因为单片机要处理键盘信息，还要显示过程数据，这样单片机的实时性就很难保证，也会影响到转换器的性能。因此，可选方案是，滞回电压比较器由硬件实现，而单片机则负责处理键盘、显示以及其它信息。

高校实验室实验设备品种繁多，相互之间没有相关性，彼此孤立。比如单片机课程实验设备的被控对象通常是数字电路，而滞回电压比较器是模拟电子技术课程开设的实验，这两种实验设备分布在不同的实验室。这样往往造成设备利用率低，资源浪费严重，现有设备不能满足学生的综合设计需要。而大学电气专业，前期课程有电子技术，同学们做过滞回电压比较器的实验，后期有单片机课程。如果能够设计综合实验，使前期课程和后期课程有很好的衔接，这样使学生们既能学好当前知识又能巩固前面的知识，同时还能进一步改善实践教学效果。

专利号为ZL2010102156853的发明专利申请案提出了一种门槛电压值可调的滞回电压比较器电路，但是该发明专利申请案中没有实现单片机电路和滞回电压比较器电路的隔离。在实际应用中，滞回电压比较器电路经常会与某个被控对象连在一起使用，单片机电路还要控制很多被控对象。这样，一旦被控对象出现问题，就会损害单片机电路，最终导致整个系统无法工作。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本发明提供一种单片机控制的滞回电压比较器，其具有电路隔离功能，且门槛电压值可调，有着很好的应用前景。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单片机控制的滞回电压比较器，其包括：键盘显示电路、单片机、线性光电耦合电路1、线性光电耦合电路2、D/A转化电路1、D/A转化电路2、数字光电耦合电路和正反馈电压比较器。

其中，所述键盘显示电路用来设定门槛电压和回差值，并将所设定的门槛电压和回差值输入到单片机，由单片机进行处理和运算；

所述单片机用于进行信号处理和运算，并将处理和运算后的结果输出到D/A转化电路1和D/A转化电路2；

所述D/A转化电路1和D/A转化电路2将单片机输出的结果转化成模拟信号后，分别输入线性光电耦合电路1和线性光电耦合电路2中，通过线性光电耦合电路1和线性光电耦合电路2两个隔离电路后，分别输出V1和VR的电压值；

所述正反馈电压比较器接收线性光电耦合电路1和所述线性光电耦合电路2输出的电压值V1和VR，并将其中的运算放大器的输出反馈到该正反馈电压比较器的正极，所述正反馈电压比较器的输出电压为V0；

所述数字光电耦合电路用以实现光电隔离，其将所述正反馈电压比较器的输出电压V0反向后得到的电压值V3反馈给单片机。

所述单片机为单片机U2，其选用的型号是MEGA8，用以接收键盘显示电路的输入的信息，并输出显示信息，接收反馈信号V3；所述单片机电源的地线与GND1共地；所述键盘显示电路中还有启动键和停止键。

所述正反馈电压比较器由运算放大器U3、电阻R0、单片机U2、R1、R2、R3，以及双向稳压二极管D1组成；双向稳压二极管D1选择稳压值Uz为5V的稳压管，电路中需要电阻值R2＝R3。

所述数字光电耦合电路由光耦U1、电阻R4、R5以及运算放大器U4组成，其中，运算放大器U4完成阻抗匹配的作用。

所述运算放大器U3和运算放大器U4选用的型号是LM324，采用双电源供电，电源地线与GND2共地。

所述线性光电隔离电路1实现输入等于输出，既V1＝VX，条件是电阻值R20＝R24＝R21，线性光电隔离电路1中的运算放大器选用的型号是LM324，且采用双电源供电，线性光耦选用的型号是HCNR201。

运算放大器U20和运算放大器U21的电源地线与GND1共地，运算放大器U24的电源地线与GND2共地。

当输入VX为正电压时，通过运算放大器U20、线性光耦U22及运算放大器U24，实现输入等于输出，也即V1＝VX；当输入VX为负电压时，通过运算放大器U21、线性光耦U23及运算放大器U24，实现输入等于输出，也即V1＝VX。

所述线性光电隔离电路2实现输入等于输出，也即VR＝VY，条件是电阻值R10＝R11，其中，运算放大器U10、运算放大器U12选用的型号是LM324，采用双电源供电，线性光耦U11选用的型号是HCNR201，运算放大器U10的电源地线与GND1共地，运算放大器U12的电源地线与GND2共地。

，所述滞回电压比较器的门槛电压及回差值如下：

U_{T 1} = \frac{R_{2}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times V_{R} + \frac{R_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1})

U_{T 2} = \frac{R_{2}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times V_{R} - \frac{R_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1})

ΔU = \frac{{2 R}_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1})

其中，U_T1和U_T2为滞回电压，ΔU为回差值，通过调节线性光电耦合电路1输出的电压值V1，来改变回差值；通过调节线性光电耦合电路2输出的电压值VR，来改变门槛电压值。

本发明的有益效果:根据本发明的滞回电压比较器，当输入信号一定的情况下，通过调节电压值V1和电压值VR，实现门槛电压可调的滞回电压比较器的功能。此外，本发明采用了两个线性光电耦合电路，通过单片机调节两个线性光电耦合电路数的输出电压值，从而实现具有单片机和被控电路也即正反馈电压比较器之间的隔离功能。由此，本发明的技术方案既可以实现门槛电压值和回差值可调，又可以实现单片机和被控单元之间的电路隔离。

附图说明

图1示出了根据本发明的一种单片机控制的滞回电压比较器的系统原理框图；

图2示出了根据本发明的一种单片机控制的滞回电压比较器的电路原理图；

图3示出了根据本发明的线性光电隔离电路1的电路原理图；

图4示出了根据本发明的线性光电隔离电路2的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明揭示一种单片机控制的滞回电压比较器，其系统原理框图如图1所示，包括：键盘显示电路、单片机、线性光电耦合电路1、线性光电耦合电路2、D/A转化电路1、D/A转化电路2、数字光电耦合电路和正反馈电压比较器。在一个较佳实施例中，输出信号V0还要反馈给单片机，单片机通过信号处理和运算，调节门槛电压值和回差值，最终使滞回电压比较器满足实际要求。

图2示出了根据本发明的一种单片机控制的滞回电压比较器的电路原理图。结合图1和图2可以看出，本发明的一种单片机控制的滞回电压比较器由键盘显示电路、单片机、线性光电耦合电路1、线性光电耦合电路2、D/A转化电路1、D/A转化电路2、数字光电耦合电路以及正反馈电压比较器组成。

键盘显示电路用来设定门槛电压和回差指标，其将所设定的门槛电压和回差指标输入到单片机，由单片机进行处理和运算。较佳地，键盘显示电路中还有启动键和停止键。

单片机用于进行信号处理和运算，其将对信号进行运算处理后输出到D/A转化电路1和D/A转化电路2，经D/A转化电路1和D/A转化电路2转化成模拟信号，然后分别输入线性光电耦合电路1和线性光电耦合电路2中，通过线性光电耦合电路1和线性光电耦合电路2两个隔离电路后，可分别输出V1和VR的电压值。通过调节电压值V1，来改变回差值；通过电压值调节VR，来改变门槛电压值。单片机电源的地线与GND1共地。

继续参看图2可以看出，在图2所对应的具体实施例中，正反馈电压比较器，由运算放大器U3、电阻R0、单片机U2、R1、R2、R3，以及双向稳压二极管D1组成。其正反馈电压比较器将运算放大器U3的输出反馈到该运算放大器U3的正输入端，单片机U2选用的型号是MEGA8，其用以接收键盘显示电路的输入的信息，并输出显示信息，接收反馈信号V3。双向稳压二极管D1选择稳压值Uz为5V的稳压管，电路中需要电阻值R2＝R3。

数字光电耦合电路由光耦U1、电阻R4、R5以及运算放大器U4组成。该数字光电耦合电路具有两个功能：其一，实现光电隔离；其二，将输出电压VO反向后变成V3信号反馈给单片机。其中，运算放大器U4完成阻抗匹配的作用。

较佳地，运算放大器U3和运算放大器U4选用的型号是LM324，采用双电源供电，电源地线与GND2共地。

D/A转化电路1负责完成数字量到模拟量转换的功能，它受单片机和反馈电压V3的控制，当反馈电压V3为高电平时，它的输出VX的电压范围是0～V0；当反馈电压V3为低电平时，它的输出VX的电压范围是0～-V0。

D/A转化电路2负责完成数字量到模拟量转换的功能，它只受单片机的控制，它的输出VY的电压范围是0～V0。

线性光电隔离电路1的电路原理图如图3所示，该电路的功能在于，其一，实现输入等于输出，既V1＝VX，条件是电阻值R20＝R24＝R21；其二，实现光电隔离。在一个优选实施例中，运算放大器U20、运算放大器U21和运算放大器U24选用的型号是LM324，且采用双电源供电。线性光耦U22和线性光耦U23选用的型号是HCNR201。运算放大器U20和运算放大器U21的电源地线与GND1共地，运算放大器U24的电源地线与GND2共地。当输入VX为正电压时，通过运算放大器U20、线性光耦U22及运算放大器U24，可以实现输入等于输出，也即V1＝VX；当输入VX为负电压时，通过运算放大器U21、线性光耦U23及运算放大器U24，可以实现输入等于输出，也即V1＝VX。

线性光电隔离电路2的电路原理图如图4所示，该线性光电隔离电路2的功能在于，其一，实现输入等于输出，也即VR＝VY，条件是电阻值R10＝R11；其二，实现光电隔离。优选地，运算放大器U10、运算放大器U12选用的型号是LM324，采用双电源供电，线性光耦U11选用的型号是HCNR201。运算放大器U10的电源地线与GND1共地，运算放大器U12的电源地线与GND2共地。

继续参看图2，在满足R2＝R3的条件下，可以推出本发明的滞回电压比较器的门槛电压及回差值如下：

U_{T 1} = \frac{R_{2}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times V_{R} + \frac{R_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1}) - - - (1)

U_{T 2} = \frac{R_{2}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times V_{R} - \frac{R_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1}) - - - (2)

ΔU = \frac{{2 R}_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1}) - - - (3)

其中，U_T1和_UT2为滞回电压，ΔU为回差值。

由公式(1)和公式(2)可知，单片机U2通过进行信号处理和运算来调节电压VR的信号大小，从而调节滞回电压比较器的两个门槛电压值U_T1和U_T2。

由公式(3)可知，单片机U2首先检测反馈输入V3，通过进行信号处理和运算，调节电压V1的信号大小，从而调节本发明的滞回电压比较器的回差值。

由于采用线性光电耦合电路1、线性光电耦合电路2以及数字光电耦合电路，实现了被控对象与单片机之间的有效隔离。也就是说，在本发明的具体实施方式中，通过采用线性光电耦合电路1、线性光电耦合电路2以及数字光电耦合电路，来实现滞回电压器与单片机之间的有效隔离。

由此，根据本发明的一种单片机控制的滞回电压比较器，其不仅具有隔离功能，而且能够实现门槛电压值和回差值可调，有着极好的应用前景。

以上是对本发明的描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和替换，均应落入本发明的权利要求确定的保护范围内。

Claims

1.一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于，包括：键盘显示电路、单片机、线性光电耦合电路1、线性光电耦合电路2、D/A转化电路1、D/A转化电路2、数字光电耦合电路和正反馈电压比较器；其中，

所述键盘显示电路用来设定门槛电压和回差值，并将所设定的门槛电压和回差值输入到单片机，由单片机进行处理和运算；

2.根据权利要求1所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于,所述单片机为单片机U2，其选用的型号是MEGA8，用以接收键盘显示电路的输入的信息，并输出显示信息，接收反馈信号V3；所述单片机电源的地线与GND1共地；所述键盘显示电路中还有启动键和停止键。

3.根据权利要求1所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于,所述正反馈电压比较器由运算放大器U3、电阻R0、单片机U2、R1、R2、R3，以及双向稳压二极管D1组成；双向稳压二极管D1选择稳压值Uz为5V的稳压管，电路中需要电阻值R2＝R3。

4.根据权利要求1所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于,所述数字光电耦合电路由光耦U1、电阻R4、R5以及运算放大器U4组成，其中，运算放大器U4完成阻抗匹配的作用。

5.根据权利要求4或5所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于，所述运算放大器U3和所述运算放大器U4选用的型号是LM324，采用双电源供电，电源地线与GND2共地。

6.根据权利要求1所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于,所述线性光电隔离电路1包括实现输入等于输出，既V1＝VX，条件是电阻值R20＝R24＝R21，线性光电隔离电路1中的运算放大器选用的型号是LM324，且采用双电源供电，线性光耦选用的型号是HCNR201。

7.根据权利要求6所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于,运算放大器U20和运算放大器U21的电源地线与GND1共地，运算放大器U24的电源地线与GND2共地。

8.根据权利要求7所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于,当输入VX为正电压时，通过运算放大器U20、线性光耦U22及运算放大器U24，实现输入等于输出，也即V1＝VX；当输入VX为负电压时，通过运算放大器U21、线性光耦U23及运算放大器U24，实现输入等于输出，也即V1＝VX。

9.根据权利要求1所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于,线性光电隔离电路2实现输入等于输出，也即VR＝VY，条件是电阻值R10＝R11，其中，运算放大器U10、运算放大器U12选用的型号是LM324，采用双电源供电，线性光耦U11选用的型号是HCNR201，运算放大器U10的电源地线与GND1共地，运算放大器U12的电源地线与GND2共地。

10.根据权利要求1所述的一种单片机控制的滞回电压比较器，其特征在于，所述滞回电压比较器的门槛电压及回差值如下：

U_{T 1} = \frac{R_{2}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times V_{R} + \frac{R_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1})

U_{T 2} = \frac{R_{2}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times V_{R} - \frac{R_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1})

ΔU = \frac{2 R_{1}}{R_{2} + 2 R_{1}} \times (U_{0} - V_{1})