CN104808541B

CN104808541B - 通用检测电路

Info

Publication number: CN104808541B
Application number: CN201510039915.8A
Authority: CN
Inventors: P.贝克斯; D.布鲁格
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: US9148163B2; EP2899548A1; US20150214972A1; CN104808541A; EP2899548B1

Abstract

本发明涉及通用检测电路。一种针对低传感器电压而优化的检测电路，包括微处理器（4），微处理器（4）包括具有输入引脚的集成模拟到数字转换器（9），集成模拟到数字转换器（9）被配置成依靠不多于2V的参考电压，所述检测电路还包括用于变换传感器（2,102,202,302,402）信号的变换电路，所述变换电路连接到集成模拟到数字转换器（9）的输入引脚，其特征在于，变换电路可以包括阻抗转换器（13）并且除阻抗转换器（13）之外，仅依靠无源电元件（111,112,408,409,411,412,705,706）。

Description

通用检测电路

背景技术

本公开涉及用于检测模拟和数字信号的电路。更具体地，本公开涉及针对比较低的传感器电压而优化的用于信号检测的电路。

用于检测模拟和数字信号的电路时常基于模拟到数字（A/D）转换器。模拟到数字转换器将模拟信号改变成数字值。A/D转换器通常被采用以将来自光传感器或来自温度依赖电阻器的信号改变成数字信号。数字信号然后可以由微处理器单元或由任何其它数字电路处理。除模拟信号之外，A/D转换器还可以用于创建来自开关的二进制（开或关）输入信号的数字表示。

特别是在测量与仪器化的领域中，微处理器单元时常包括内置模拟到数字转换器。换言之，微处理器不仅提供数字输入引脚，而且还提供至少一个模拟输入引脚。模拟输入引脚然后连接到微处理器单元的内部A/D转换器。

模拟到数字转换器伴随有给定范围的输入电压。为了最好地利用A/D转换器，对A/D转换器的输入信号应当理想地覆盖转换器的输入电压的整个范围。为了使传感器信号的范围匹配A/D转换器的范围，传感器信号可能必须被变换。

它们的A/D转换器的比较大的电压范围长久以来是具有内置模拟到数字转换器的微处理器的缺陷所在。A/D转换器的输入电压的大范围意味着低幅度信号可能仅覆盖转换器的输入电压的整个范围的一部分。低幅度传感器信号到A/D转换器的宽范围输入的直接连接则具有仅利用转换器的输入范围的有限百分比的缺点。该缺点通常是不合期望的，特别是在要求某个数字分辨率以用于模拟信号到数字信号的转换时。作为示例，气压传感器将要求对应于4096阶（step）的至少12位（bit）的分辨率以同样检测海拔中的小改变。如果压力传感器的输出电压的范围被局限于0…2V，则具有5V的输入范围的12位A/D转换器将不能递送压力信号的真实12位数字表示。

迄今为止，基于具有内置模拟到数字转换器的微处理器的实际解决方案通常要求外部A/D转换器将模拟低幅度信号转换成具有适当分辨率的数字信号。外部模拟到数字转换器的数字输出端然后连接到微处理器的数字输入端。具有低范围的输入电压的附加外部A/D转换器增加了电路的复杂性并且是倾向于故障的又一元件。

当外部A/D转换器不是选项时，放大器可以用于扩大传感器信号的电压范围。放大器的输出端然后连接到具有内置A/D转换器的微处理器的模拟输入引脚。在该配置中，放大器需要是高度线性的以便不损害模拟信号的数字表示的质量。放大器还伴随有前述的外部A/D转换器的缺点。

本公开的目标是至少减轻前述困难并且提供满足前述要求的用于数字和用于模拟信号的检测电路。

发明内容

本公开是基于涉及具有集成A/D转换器的微处理器的出现的发现。微处理器设备的这种新分类允许以检测电路的降低的复杂性来处理低电压输入信号。

本公开的目的是提供用于低幅度电信号的通用检测电路。

本公开的相关目的是提出一种检测电路，其依靠具有内置模拟到数字转换器的微处理器。有利地，可以在微处理器的对应引脚处选取低参考电压。

以上问题通过根据本公开的主权利要求的用于低电压信号的检测电路来解决。本公开的优选实施例由从属权利要求覆盖。

本公开的另一目的是提供一种允许处理低电压模拟信号的检测电路。

本公开的相关目的是提供一种允许从温度依赖电阻器获得的低电压模拟信号的处理的检测电路。

本公开的相关目的是提供一种允许来自正热系数电阻器的低电压模拟信号的处理的检测电路。

本公开的相关目的是提供一种被配置成处理来自负热系数电阻器的低电压模拟信号的检测电路。

本公开的相关目的是提供一种被配置成处理负和正输入电压二者的用于低电压模拟信号的检测电路。

本公开的另一目的是提供一种允许处理低电压数字信号的检测电路。

本公开的相关目的是提出一种允许噪声降低和/或噪声消除的用于低电压数字信号的检测电路。

附图说明

各种特征将从所公开的非限制性实施例的以下详细描述中变得对本领域技术人员显而易见。随附详细描述的附图可以被简要描述如下：

图1示意性地提供了通过嵌入在控制器中的微处理器的信号处理的各个步骤的概览。

图2是图1的一般概念的特殊实施例。

图2是特别适合于高达1.5kOhm的电阻器的检测电路的示意图。

图3是图1的一般概念的特殊实施例。

图3示出特别适合于高达600kOhm的电阻器的检测电路。

图4是图1的一般概念的特殊实施例。

图4示出适于检测（机械）开关的状态的检测电路。

图5是图1的一般概念的特殊实施例。

图5是用于检测和用于测量-1V和+11V之间的电压的检测电路。

具体实施方式

图1描绘了具有附接的传感器2的控制器1。作为示例，传感器2可以是光电二极管、温度依赖电阻器、加速度传感器、（气压）压力传感器或类似物。在本申请的上下文中的传感器2还可以是（机械）开关或电压源。

控制器1提供电流供给3。电流供给3将典型地在传感器2是电阻器或开关时处于使用中。电流供给3可以在传感器2是电压供给时被关断。

电流供给3可以通过微处理器4被接通和关断。为此，电流供给3伴随有端口5b，其连接到微处理器4的端口5a。微处理器4被配置成通过端口5a、5b向电流供给3发送（CSS）信号以便接通或关断供给3。

电流供给3还连接到电力供给6。在优选实施例中，由电力供给6供给的电压是+18V或+19V。在有利实施例中，由电流供给3产生的电流的大小与参考电压成比例。来自电流供给3的电流对参考电压10的依赖帮助减轻参考电压10中的变化对信号处理的影响。

电力供给6接收参考电压10以使电力供给6供给的电压和元件3供给的电流变化。参考电压将典型地为1.7V。在另一实施例中，参考电压为2V。

参考电压10还设置A/D转换器9的最大输入范围。参考电压10的低值降低通过的电流和因而传感器2上的应力。

传感器2还连接到低通滤波器7。低通滤波器7抑制具有高于市电频率（mainsfrequency）的频率的噪声。在优选实施例中，低通滤波器7提供电容器。每当传感器2是开关时该电容器可以证明是有用的。当闭合开关时，电容器提供额外电流以通过氧化物层的移除来帮助清洁（机械）开关的接触部。由低通滤波器7的电容器供给的额外电流还可以降低接触颤动。

在特定实施例中，低通滤波器7是一阶RC或LC或RLC滤波器。在另一实施例中，低通滤波器是蝶型滤波器。在又一实施例中，低通滤波器是切比雪夫（Chebyshev）型滤波器。后两个实施例采用更高阶滤波器来更好地降低添加到由低电压传感器2产生的（弱）信号的1/频率噪声。

控制器1还提供要添加到传感器信号的交流（AC）电压的源8。AC电压的该源8引入已知为过采样的技术。在优选实施例中，AC电压的频率是270Hz。来自源8的交流电压的幅度典型地为大约15mV。在特定实施例中，由源8供给的电压具有三角形状。在另一实施例中，源8基本上供给噪声信号。

控制器1还提供衰减元件11。衰减元件11主要与作为-1…+11V电压源、数字传感器或高阻抗负热阻（NTC）传感器的传感器2一起使用。在这些情况中的任一个中，传感器2之上的电压降将超过要供给到A/D转换器9的最大输入电压。元件11然后降低信号的幅度。在优选实施例中，幅度中的降低与来自传感器2的信号的幅度基本成比例。衰减元件11提供输入端口12b。通过输入端口12b，衰减元件11可以从微处理器4的输出端口12a接收（MRS）信号。微处理器因此取决于是否需要衰减而启用和禁用衰减元件11。

阻抗转换器13是控制器1的可选元件。每当由于（环境）温度依赖引起A/D转换器9的输入电流变得过量时，需要阻抗转换器13。阻抗转换器13然后确保馈送到A/D转换器9的电流将是足够的。

模拟到数字转换器9优选地以2.5kHz的采样率在100ms期间对其输入信号进行采样。换言之，A/D转换器9获取250个值。值然后被存储在微处理器4内部以供进一步处理。通过平均，获得具有较高分辨率的平均值。利用元件8添加的AC信号，信号的平均通过过采样而在A/D转换器9的分辨率上有所改善。那样，分辨率可以从12位增加至14位或甚至增加至16位。由元件8供给的AC电压的频率将相应地被选取并且可以实际上在270Hz以上。

在另一实施例中，通过微处理器4的处理意味着检测市电频率。还可以检测市电频率的相位。由传感器2检测的信号通常受市电频率影响。此外，市电频率可能通过电磁干扰影响传感器2信号。当在100ms期间对信号进行采样之后，微处理器4检测信号频率的市电分量的过零。微处理器4然后以优选0.1Hz的分辨率确定频率和/或还有市电分量的相位。市电分量的影响然后可以通过数字陷波滤波器被抑制。

控制器优选地不提供任何元件来放大来自传感器2的信号的电压。所述布置是特别有利的，因为它避免牺牲A/D转换器9的分辨率的部分。为了得到该结果，微控制器4与依靠比较低的参考电压的集成A/D转换器9一起使用。

现在转向图2，描述了具有电阻性传感器102的示例性实施例。已经在特别强调具有高达1.5kOhm的电阻值的电阻性传感器102的情况下适配了图2的检测电路。这样的传感器的典型示例是Pt1000或Ni1000传感器。

为了向电阻性传感器102施加1.7V的电压，供给电压被电阻器14降低。在V_VCS作为元件6的供给电压，R_sens作为传感器的电阻，R₁₄作为元件14的电阻的情况下，A/D转换器9的输入端处的对地电压V_IN读得

。

电阻器705和电容器706形成以上在图1的上下文中描述的低通滤波器7。

现在转向图3，描述了特别适合于具有0.1kOhm到600kOhm的电阻值的电阻性传感器202的检测电路。负热阻传感器是该传感器类别中的典型示例。电路与图2的电路的不同之处还在于它包括由电阻器111和112构成的衰减元件。衰减元件基本上是由电阻器111和112构成的电阻性分压器。相同衰减元件原则上从图1的元件11得知。

利用如图2的上下文中描述的符号并且利用形成衰减元件的R₁₁₁和R₁₁₂，到A/D转换器的输入V_IN读得

如图4上所示的电路适合用于小于600kOhm的传感器202电阻的值。

图4示出被配置成接收开关302作为其传感器的检测电路。图4的电路与图3的电路的不同之处仅在于电阻性传感器202已经被开关202取代。

如图4中所示的电容器706不仅仅是低通滤波器的部分。它706还在开关302的（机械）接触部的闭合时驱动通过开关302的电流。来自电容器706的额外电流通过清洁接触部的表面上的氧化物层来帮助降低接触颤动。

现在转向图5，呈现了用于检测和测量-1V和+11V之间的电压的电路。相比于之前的各图的主要差异在于传感器2现在已经被电压源402取代。电压源402连接到电力供给406。优选地，电力供给406递送-3V的电压。电阻器414连同-3V供给406一起允许检测开路，在没有电阻器414连接到电路的时候。电力供给406和电阻器414是可选元件。

由元件705和706构成的低通滤波器基本上执行与之前的各图中相同的功能。

电阻器411和412形成电阻性分压器。在特定实施例中，模拟到数字转换器的输入端处的电压V_IN得到1.1V的最大值。

电压参考410通过电阻器408从点498分离。电阻器409将点498处的电压增加至近似0.1V。点498处的电压中的小增加允许电路还测量和检测传感器402处的负电压。

利用按照之前各图的符号，在R₄₀₈和R₄₀₉为电阻器408和409的电阻值，在V₄₁₀为点410处的电压，并且在V₄₀₂为传感器402的电压的情况下，电压V_IN读得

除阻抗转换器之外，前述实施例仅依靠用于传感器信号的变换的无源电组件。换言之，用于传感器信号（2,102,202,302,402）的变换的电路不包括任何放大器以（成比例地）增加传感器（2,102,202,302,402）信号的电压幅度。无源电组件包括电阻器、电容器和线圈。晶体管或其它半导体开关不被视为无源电组件。

电力供给6、406、电流供给3、参考电压10的生成器和AC源（8）不被视为变换电路的部分。它们（3,6,8,10,406）代替地是供给组件。

应当理解，前文仅涉及本发明的某些实施例并且可以在其中做出众多改变而不脱离于如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。还应当理解，本发明不限于所说明的实施例并且可以在以下权利要求的范围内做出各种修改。

参考标号

1 控制器

2 传感器

3 电流供给

4 微处理器

5a，5b 用于接通和关断电流供给3的端口

6 电力供给

7 低通滤波器

8 交流电压的源

9 模拟到数字转换器

10 电压参考

11 衰减器

12a，12b 用于接通和关断衰减器11的端口

13 阻抗转换器

14 限定施加到传感器的电压的电阻器

102 具有高达1.5kOhm的电阻率的传感器

111,112 形成电阻性分压器（衰减器）的电阻器

202 具有高达600kOhm的电阻率的传感器

302 （机械）开关

402 电压源

406 用于检测断开传感器接触部的源

408 分离电压参考410和点498的电阻器

409 提高点498的电势的电阻器

410 电压参考

411,412 形成电阻性分压器（衰减器）的电阻器

414 用于检测断开传感器接触部的电阻器

498具有提高的电势的点

499 模拟到数字转换器9的输入端口

705,706 低通滤波器的电阻器和电容器。

Claims

1.一种针对低传感器电压而优化的检测电路，包括

微处理器（4），

微处理器（4）包括具有输入引脚的集成模拟到数字转换器（9），

集成模拟到数字转换器（9）被配置成依靠不多于2V的输入电压范围，

所述检测电路还包括用于变换传感器（2,102,202,302,402）信号的变换电路，

所述变换电路连接到集成模拟到数字转换器（9）的输入引脚，

其特征在于

变换电路可以包括阻抗转换器（13）并且除阻抗转换器（13）之外，依靠多个无源电组件（111,112,408,409,411,412,705,706）;

其中阻抗转换器用于确保由于环境温度引起的电流过量的情况下馈送到集成模拟到数字转换器的电流将是足够的。

2.根据权利要求1所述的检测电路，其中集成模拟到数字转换器（9）被配置成依靠不多于2V的参考电压。

3.根据权利要求1所述的检测电路，其中集成模拟到数字转换器（9）被配置成依靠基本上1.7V的参考电压。

4.根据权利要求1所述的检测电路，其中集成模拟到数字转换器（9）被配置成依靠基本上1.1V的参考电压。

5.根据权利要求1所述的检测电路，其中

变换电路包括至少一个低通滤波器（7）。

6.根据权利要求5所述的检测电路，其中

所述低通滤波器（7）包括至少一个电容器（706）和至少一个电阻器（705）。

7.根据权利要求6所述的检测电路，其中

所述至少一个电容器（706）被配置成驱动通过机械开关（302）的额外电流，使得机械开关（302）的任何接触表面上的任何氧化物层被减轻。

8.根据权利要求7所述的检测电路，其中

所述至少一个电容器（706）被配置成驱动通过机械开关（302）的额外电流，使得机械开关（302）的任何接触表面上的任何氧化物层被清洁。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的检测电路，其中所述至少一个电容器（706）直接连接到传感器（2,102,202,302,402）。

10.根据权利要求6所述的检测电路，其中所述至少一个电容器（706）经由电阻器（705）连接到传感器（2,102,202,302,402）。

11.根据权利要求1所述的检测电路，其中变换电路包括至少一个衰减元件（11）。

12.根据权利要求11所述的检测电路，其中所述衰减元件（11）包括至少两个电阻器（111,112）。

13.根据权利要求1所述的检测电路，其中传感器选自具有高达1.5kOhm的电阻的电阻器（102），或者选自具有高达1MOhm的电阻的电阻器（202），或者选自开关（302），或者选自电压源（402）。