CN109494700B - 一种浪涌防护电路、数据采集装置及其浪涌防护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浪涌防护电路、数据采集装置及其浪涌防护方法，该装置包括：光耦、开关器件和稳压器件；其中，所述开关器件，设置在所述光耦的原边，用于控制所述光耦的原边是否导通；其中，在所述开关器件的输入信号的输入电压高于所述开关器件的开启电压的情况下，所述开关器件导通，所述光耦的原边导通；所述稳压器件，设置在所述光耦的副边，用于在所述光耦的副边导通的情况下，对所述光耦的副边的输出信号进行稳压。本发明的方案，可以解决通过稳压二极管或瞬态抑制二极管将电压钳位于某一特定值的保护方案容易造成误动作的问题，达到降低误动作率的效果。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种浪涌防护电路、数据采集装置及其浪涌防护方法，尤其涉及一种数据采集单元浪涌防护电路、数据采集装置及其浪涌防护方法。
背景技术
随着科技的进步，可靠性已经成为衡量电子设备优劣的一个重要指标，因而其保护电路也成为整个方案设计不可或缺的一部分。目前，针对数据采集设备或IC，在其外部采样输入端口并无合适的保护措施。常见的保护方案为通过稳压二极管(简称：稳压管)或瞬态抑制二极管(简称：TVS)，将电压钳位于某一特定值，但由于稳压管或TVS存在较大漏电流，会导致采样值不准，从而导致系统逻辑判断不准，造成误动作。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种浪涌防护电路、数据采集装置及其浪涌防护方法，以解决现有技术中通过稳压二极管或瞬态抑制二极管将电压钳位于某一特定值的保护方案容易造成误动作的问题，达到降低误动作率的效果。
本发明提供一种浪涌防护电路，包括：光耦、开关器件和稳压器件；其中，所述开关器件，设置在所述光耦的原边，用于控制所述光耦的原边是否导通；其中，在所述开关器件的输入信号的输入电压高于所述开关器件的开启电压的情况下，所述开关器件导通，所述光耦的原边导通；所述稳压器件，设置在所述光耦的副边，用于在所述光耦的副边导通的情况下，对所述光耦的副边的输出信号进行稳压。
可选地，所述开关器件，包括：三极管；所述三极管的集电极，连接至所述光耦的原边的阴极；所述三极管的基极，用作输入信号的输入端；所述三极管的发射极接地。
可选地，所述稳压器件，包括：稳压二极管或TVS管；所述稳压二极管或所述TVS管的阴极，连接至所述光耦的副边的发射极。
可选地，还包括：第一限流模块和/或第二限流模块；所述第一限流模块，设置在所述开关器件的输入端，用于对所述输入信号进行限流；和/或，所述第二限流模块，设置在所述光耦的原边的阳极，用于对所述光耦的原边的供电信号进行限流。
与上述电路相匹配，本发明再一方面提供一种数据采集装置，包括：分压单元和数据采集单元；还包括：以上所述的浪涌防护电路；其中，所述分压单元，用于对外部干扰信号进行分压处理后，得到所述输入信号并输入至所述浪涌防护电路；所述浪涌防护电路，用于在所述输入信号的输入电压高于所述浪涌防护电路的开启电压的情况下，通过所述开关器件控制所述光耦导通，并对所述光耦的副边的输出信号进行稳压后输出至所述数据采集单元；所述数据采集单元，用于基于所述稳压后的输出信号进行数据采集。
可选地，还包括：滤波单元；所述滤波单元，设置在所述浪涌防护电路与所述数据采集单元之间，用于对所述稳压后的输出信号进行滤波后再输出至所述数据采集单元。
可选地，所述滤波单元，包括：RC滤波模块。
可选地，所述分压单元，包括：第一分压模块和第二分压模块；其中，所述第一分压模块，设置在外部干扰信号输入端与所述数据采集单元之间；所述第二分压模块，分别连接至所述第一分压模块与所述数据采集单元的公共端与所述浪涌防护电路的输入信号的输入端。
可选地，所述第二分压模块，包括：第一分压子模块和第二分压子模块；所述第一分压子模块和所述第二分压子模块相连，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块的公共端为所述浪涌防护电路的输入信号的输入端。
与上述数据采集装置相匹配，本发明再一方面提供一种数据采集装置的浪涌防护方法，包括：通过分压单元，对外部干扰信号进行分压处理后，得到所述输入信号并输入至所述浪涌防护电路；通过浪涌防护电路，在所述输入信号的输入电压高于所述浪涌防护电路的开启电压的情况下，通过所述开关器件控制所述光耦导通，并对所述光耦的副边的输出信号进行稳压后输出至所述数据采集单元；通过数据采集单元，基于所述稳压后的输出信号进行数据采集。
可选地，还包括：通过滤波单元，对所述稳压后的输出信号进行滤波后再输出至所述数据采集单元。
本发明的方案，通过在维持采样电路精确度的前提下，提供了一种浪涌防护电路，可大大减小正常运行时保护单元中的漏电流，在起到有效保护设备的前提下，使采样值与实际值几乎保持一致，可靠性高、安全性好。
进一步，本发明的方案，通过在原有数据采集电路中增加保护单元，可以实现对后端电路以及设备的保护，同时还可以保证采样的数据与实际值基本保持一致，提升保护可靠性，降低误动作率。
进一步，本发明的方案，通过在数据采集单元前端增加此电路，在保证采样精度的前提下，可以起到保护后端设备/器件的效果，保护可靠性高、安全性好。
由此，本发明的方案，通过在原有数据采集电路中增加保护单元，可以实现对后端电路以及设备的保护，同时还可以保证采样的数据与实际值基本保持一致；解决现有技术中通过稳压二极管或瞬态抑制二极管将电压钳位于某一特定值的保护方案容易造成误动作的问题，从而，克服现有技术中误动作率高、可靠性低和使用不方便的缺陷，实现误动作率低、可靠性高和使用方便的有益效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的浪涌防护电路的一实施例的结构示意图；
图2为传统数据采集电路的结构示意图；
图3为本发明的数据采集装置的一实施例的结构示意图，具体为增加保护单元的数据采集电路；
图4为本发明的数据采集装置的一实施例的保护电路工作流程示意图；
图5为本发明的浪涌防护方法的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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做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。
根据本发明的实施例，提供了一种浪涌防护电路。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该浪涌防护电路可以包括：光耦(如光耦U1)、开关器件和稳压器件。
具体地，所述开关器件，设置在所述光耦的原边，可以用于控制所述光耦的原边是否导通。其中，在所述开关器件的输入信号的输入电压高于所述开关器件的开启电压的情况下，所述开关器件导通，所述光耦的原边导通。
具体地，所述稳压器件，设置在所述光耦的副边，可以用于在所述光耦的副边导通的情况下，对所述光耦的副边的输出信号进行稳压。
例如：在注重维持采样电路精确度的前提下，提供了一种浪涌防护电路。此电路可大大减小正常运行时保护单元中的漏电流，在起到有效保护设备的前提下，使采样值与实际值几乎保持一致，误差可忽略不计；而且，此保护电路均采用实际电子设计中常用的元器件，原理简单、成本低、实用性强。
由此，通过在开关器件的输入信号的输入电压高于其开启电压的情况下开关器件导通，进而控制光耦导通，然后通过稳压器件对光耦副边的输出信号进行稳压，实现输入信号与输出信号之间的防浪涌保护，可靠性高、安全性好。
可选地，所述开关器件，可以包括：三极管。
其中，所述三极管的集电极，连接至所述光耦的原边的阴极。所述三极管的基极，用作输入信号的输入端。所述三极管的发射极接地。
由此，通过选用三极管作为开关器件，对光耦是否导通的控制更加灵敏和可靠。
可选地，所述稳压器件，可以包括：稳压二极管或TVS管。
其中，所述稳压二极管或所述TVS管的阴极，连接至所述光耦的副边的发射极。
例如：主要器件可以包括：光电耦合器(简称：光耦，如图3中光耦U1)、控制光耦原边导通的三极管Q1、以及用于电压嵌位的TVS或稳压管D1，均为常用电子元器件，拓扑简单，价格低廉，同时实用性、可靠性强。
由此，通过多种形式的稳压器件，稳压效果好、且使用的便捷性和灵活性均较好。
在一个可选实施方式中，还可以包括：第一限流模块和/或第二限流模块。
其中，所述第一限流模块，设置在所述开关器件的输入端，可以用于对所述输入信号进行限流；和/或，所述第二限流模块，设置在所述光耦的原边的阳极，可以用于对所述光耦的原边的供电信号进行限流。
例如：电阻R5为限流电阻；当三极管Q1导通时，光耦U1原边导通，同时光耦副边也导通；D1为TVS或稳压管，当光耦副边导通时，D1就起到稳定(嵌位)电压的作用。
由此，通过限流模块对开关器件的输入信号、光耦原边的供电信号等进行限流，可以进一步提升安全性。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过在维持采样电路精确度的前提下，提供了一种浪涌防护电路，可大大减小正常运行时保护单元中的漏电流，在起到有效保护设备的前提下，使采样值与实际值几乎保持一致，可靠性高、安全性好。
根据本发明的实施例，还提供了对应于浪涌防护电路的一种数据采集装置。该数据采集装置可以包括：分压单元和数据采集单元；还可以包括：以上所述的浪涌防护电路。
具体地，所述分压单元，可以用于对外部干扰信号进行分压处理后，得到所述输入信号并输入至所述浪涌防护电路。
具体地，所述浪涌防护电路，可以用于在所述输入信号的输入电压高于所述浪涌防护电路的开启电压的情况下，通过所述开关器件控制所述光耦导通，并对所述光耦的副边的输出信号进行稳压后输出至所述数据采集单元。
具体地，所述数据采集单元，可以用于基于所述稳压后的输出信号进行数据采集。
例如：通过在原有数据采集电路中增加保护单元，可以实现对后端电路以及设备的保护，同时还可以保证采样的数据与实际值基本保持一致。如：如图2、图3所示，通过在原有数据采集电路中增加保护单元，可以实现对后端电路以及设备的保护，同时还可以保证采样的数据与实际值基本保持一致。这样，在数据采集单元前端增加此电路，在保证采样精度的前提下，可以起到保护后端设备/器件的效果，且此电路器件较少，设计方法简单，保护效果显著，可最大化节约开发成本并提高电子设备可靠性。
例如：如图3所示，当电路正常工作时，A点电位和C点电位未超过数据采集单元所要求的最高电压，通过调整R2和R3的参数，可使正常工作条件下B点电位低于三极管Q1的开启电压，U1和D1均不工作，即整个保护单元不动作，工作模式与传统数据采集电路完全一致，光耦副边漏电流极小，可忽略不计，因此采样精度也可以得到保证。
例如：如图3所示，当由于外部干扰或其他原因导致输入信号过高时，A点和C点电位高于数据采集单元所要求的最高电压，若无保护电路，则存在损坏后端设备的风险，若调整R2和R3的参数，使B点电位高于三极管Q1的开启电压，则三极管开通，同时光耦原边导通，根据光耦特性，副边同时导通，则通过D1可以将A点和C点电位嵌位于某一特定值，不至于使后端电路损坏，起到良好的保护作用。
由此，通过在数据采集单元的前端增加防浪涌保护电路，可以保护分压单元与数据采集单元之间信号的安全性，且误操作率低、可靠性高。
在一个可选实施方式中，还可以包括：滤波单元。
其中，所述滤波单元，设置在所述浪涌防护电路与所述数据采集单元之间，可以用于对所述稳压后的输出信号进行滤波后再输出至所述数据采集单元。
由此，通过滤波单元，可以提升输入至数据采集单元的信号的精准性和可靠性，进而提升数据采集的精准性和可靠性。
可选地，所述滤波单元，可以包括：RC滤波模块。
例如：R6与C1共同组成滤波电路，对进入采集单元的信号进行滤波。
由此，通过RC滤波模块进行滤波，结构简单，且滤波效果好。
可选地，所述分压单元，可以包括：第一分压模块和第二分压模块。
具体地，所述第一分压模块，设置在外部干扰信号输入端与所述数据采集单元之间。
具体地，所述第二分压模块，分别连接至所述第一分压模块与所述数据采集单元的公共端与所述浪涌防护电路的输入信号的输入端。
由此，通过两个分压模块进行分压，可以对外部干扰信号进行分压处理，减小外部干扰信号对后续器件的损害，提升防浪涌保护的精准性。
更可选地，所述第二分压模块，可以包括：第一分压子模块和第二分压子模块。
其中，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块相连，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块的公共端为所述浪涌防护电路的输入信号的输入端。
例如：图3为增加保护单元的数据采集电路。图3中，电阻R1与(电阻R2和电阻R3)组成分压电路，可得到A点电压；电阻R2与电阻R3组成分压电路可得到B点电压；电阻R4为三极管Q1基极限流电阻。其中，当B点电压高于三极管Q1开启电压时，三极管Q1导通，三极管Q1的作用为控制光耦原边是否导通，即为开关器件。
例如：图3的电路构造为将图2中R7分为R2和R3，增加限流电阻R4和R5，增加三极管Q1，光电耦合器U1，TVS或稳压管D1。其中，关于R2和R3的参数选取，若数据采集单元最高输入电压为UA,三极管开通电压为UB，R2和R3应满足：UB＝[R3/(R2+R3)]·UA；R4为三极管基极限流电阻，其参数可根据实际进行调整；VCC为光耦原边进行供电，在Q1导通时，通过R5为其提供完整回路，其中R5和R4作用一致。
由此，通过两个子分压模块进行第二分压，可以进一步提升分压的精准性和可靠性，从而提升防浪涌保护的精准性和可靠性。
由于本实施例的数据采集装置所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过在原有数据采集电路中增加保护单元，可以实现对后端电路以及设备的保护，同时还可以保证采样的数据与实际值基本保持一致，提升保护可靠性，降低误动作率。
根据本发明的实施例，还提供了对应于数据采集装置的一种数据采集装置的浪涌防护方法，如图5所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该数据采集装置的浪涌防护方法可以包括：步骤S110至步骤S130。
在步骤S110处，通过分压单元，对外部干扰信号进行分压处理后，得到所述输入信号并输入至所述浪涌防护电路。
在步骤S120处，通过浪涌防护电路，在所述输入信号的输入电压高于所述浪涌防护电路的开启电压的情况下，通过所述开关器件控制所述光耦导通，并对所述光耦的副边的输出信号进行稳压后输出至所述数据采集单元。
在步骤S130处，通过数据采集单元，基于所述稳压后的输出信号进行数据采集。
由此，通过在数据采集单元的前端增加防浪涌保护电路，可以保护分压单元与数据采集单元之间信号的安全性，且误操作率低、可靠性高。
在一个可选实施方式中，还可以包括：通过滤波单元，对所述稳压后的输出信号进行滤波后再输出至所述数据采集单元。
由此，通过滤波单元，可以提升输入至数据采集单元的信号的精准性和可靠性，进而提升数据采集的精准性和可靠性。
在一个可选实施方式中，本发明的方案，TVS管的浪涌防护会存在漏电流影响采样精度，本发明的方案，在注重维持采样电路精确度的前提下，提供了一种浪涌防护电路。此电路可大大减小正常运行时保护单元中的漏电流，在起到有效保护设备的前提下，使采样值与实际值几乎保持一致，误差可忽略不计；而且，此保护电路均采用实际电子设计中常用的元器件，原理简单、成本低、实用性强。
例如：通过在原有数据采集电路中增加保护单元，可以实现对后端电路以及设备的保护，同时还可以保证采样的数据与实际值基本保持一致。
可见，在数据采集单元前端增加此电路，在保证采样精度的前提下，可以起到保护后端设备/器件的效果，且此电路器件较少，设计方法简单，保护效果显著，可最大化节约开发成本并提高电子设备可靠性。
在一个可选例子中，如图2、图3所示，通过在原有数据采集电路中增加保护单元，可以实现对后端电路以及设备的保护，同时还可以保证采样的数据与实际值基本保持一致，主要器件可以包括：光电耦合器(简称：光耦，如图3中光耦U1)、控制光耦原边导通的三极管Q1、以及用于电压嵌位的TVS或稳压管D1，均为常用电子元器件，拓扑简单，价格低廉，同时实用性、可靠性强。
在一个可选具体实施方式中，可以参见图2至图4所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
图2为传统数据采集电路，无保护电路，其中将输入信号(一般为电信号)经过R1和R7分压，得到A点电位，经过R6和C1组成的RC滤波后得到C点电位，然后输入至数据采集单元。
图3为增加保护单元的数据采集电路。图3中，电阻R1与(电阻R2和电阻R3)组成分压电路，可得到A点电压；电阻R2与电阻R3组成分压电路可得到B点电压；电阻R4为三极管Q1基极限流电阻。其中，当B点电压高于三极管Q1开启电压时，三极管Q1导通，三极管Q1的作用为控制光耦原边是否导通，即为开关器件。
可选地，电阻R5为限流电阻；当三极管Q1导通时，光耦U1原边导通，同时光耦副边也导通；D1为TVS或稳压管，当光耦副边导通时，D1就起到稳定(嵌位)电压的作用。
可选地，R6与C1共同组成滤波电路，对进入采集单元的信号进行滤波。
图3的电路构造为将图2中R7分为R2和R3，增加限流电阻R4和R5，增加三极管Q1，光电耦合器U1，TVS或稳压管D1。工作流程可以包括：
步骤1、当电路正常工作时，A点电位和C点电位未超过数据采集单元所要求的最高电压，通过调整R2和R3的参数，可使正常工作条件下B点电位低于三极管Q1的开启电压，U1和D1均不工作，即整个保护单元不动作，工作模式与传统数据采集电路完全一致，光耦副边漏电流极小，可忽略不计，因此采样精度也可以得到保证。
步骤2、当由于外部干扰或其他原因导致输入信号过高时，A点和C点电位高于数据采集单元所要求的最高电压，若无保护电路，则存在损坏后端设备的风险，若调整R2和R3的参数，使B点电位高于三极管Q1的开启电压，则三极管开通，同时光耦原边导通，根据光耦特性，副边同时导通，则通过D1可以将A点和C点电位嵌位于某一特定值，不至于使后端电路损坏，起到良好的保护作用。
其中，关于R2和R3的参数选取，若数据采集单元最高输入电压为UA,三极管开通电压为UB，R2和R3应满足：UB＝[R3/(R2+R3)]·UA；R4为三极管基极限流电阻，其参数可根据实际进行调整；VCC为光耦原边进行供电，在Q1导通时，通过R5为其提供完整回路，其中R5和R4作用一致。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述图2至图4所示的数据采集装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过在数据采集单元前端增加此电路，在保证采样精度的前提下，可以起到保护后端设备/器件的效果，保护可靠性高、安全性好。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种浪涌防护电路，其特征在于，该浪涌防护电路，增加在数据采集单元的前端，在保证采样精度的前提下，保护后端设备或器件；该浪涌防护电路，包括：光耦、开关器件和稳压器件；其中，
所述开关器件，设置在所述光耦的原边，用于控制所述光耦的原边是否导通；其中，在所述开关器件的输入信号的输入电压高于所述开关器件的开启电压的情况下，所述开关器件导通，所述光耦的原边导通；当电路正常工作时，在所述开关器件的输入信号的输入电压未超过所述开关器件的开启电压的情况下，整个浪涌防护电路不动作；
所述稳压器件，设置在所述光耦的副边，用于在所述光耦的副边导通的情况下，对所述光耦的副边的输出信号进行稳压；
还包括：第一限流模块和/或第二限流模块；
所述第一限流模块，设置在所述开关器件的输入端，用于对所述输入信号进行限流；和/或，所述第二限流模块，设置在所述光耦的原边的阳极，用于对所述光耦的原边的供电信号进行限流。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关器件，包括：三极管；
所述三极管的集电极，连接至所述光耦的原边的阴极；所述三极管的基极，用作输入信号的输入端；所述三极管的发射极接地。
3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述稳压器件，包括：稳压二极管或TVS管；
所述稳压二极管或所述TVS管的阴极，连接至所述光耦的副边的发射极。
4.一种数据采集装置，其特征在于，包括：分压单元和数据采集单元；
还包括：如权利要求1-3任一所述的浪涌防护电路；
其中，
所述分压单元，用于对外部干扰信号进行分压处理后，得到所述输入信号并输入至所述浪涌防护电路；
所述浪涌防护电路，用于在所述输入信号的输入电压高于所述浪涌防护电路的开启电压的情况下，通过所述开关器件控制所述光耦导通，并对所述光耦的副边的输出信号进行稳压后输出至所述数据采集单元；当电路正常工作时，在所述开关器件的输入信号的输入电压未超过所述开关器件的开启电压的情况下，整个浪涌防护电路不动作；
所述数据采集单元，用于基于所述稳压后的输出信号进行数据采集。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：滤波单元；
所述滤波单元，设置在所述浪涌防护电路与所述数据采集单元之间，用于对所述稳压后的输出信号进行滤波后再输出至所述数据采集单元。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述滤波单元，包括：RC滤波模块。
7.根据权利要求4-6之一所述的装置，其特征在于，所述分压单元，包括：第一分压模块和第二分压模块；其中，
所述第一分压模块，设置在外部干扰信号输入端与所述数据采集单元之间；
所述第二分压模块，分别连接至所述第一分压模块与所述数据采集单元的公共端与所述浪涌防护电路的输入信号的输入端。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二分压模块，包括：第一分压子模块和第二分压子模块；
所述第一分压子模块和所述第二分压子模块相连，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块的公共端为所述浪涌防护电路的输入信号的输入端。
9.一种如权利要求4-8任一项所述的数据采集装置的浪涌防护方法，其特征在于，包括：
通过分压单元，对外部干扰信号进行分压处理后，得到所述输入信号并输入至所述浪涌防护电路；
通过浪涌防护电路，在所述输入信号的输入电压高于所述浪涌防护电路的开启电压的情况下，通过所述开关器件控制所述光耦导通，并对所述光耦的副边的输出信号进行稳压后输出至所述数据采集单元；
通过数据采集单元，基于所述稳压后的输出信号进行数据采集。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：
通过滤波单元，对所述稳压后的输出信号进行滤波后再输出至所述数据采集单元。
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