CN109831201A - 一种单通道输入电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单通道输入电路，包括信号输入端口和信号输出端口，信号输入端口用于输入电压信号或者电流信号，所述单通道输入电路还包括电压选控电路、电流选控电路和信号调理电路，电压选控电路用于在接收到电压选控信号时，将输入的电压信号传输至信号调理电路；电流选控电路用于在接收到电流选控信号时，将输入的电流信号转换成电压信号后传输至信号调理电路；信号调理电路用于将电压信号调节至控制芯片适用的电压信号后，传输至信号输出端口。将两个不同的通道合并成一个单通道输入，既可以输入电流信号，也可以输入电压信号，不仅提高输入通道的利用率，还能保障不同设备之间的兼容性，降低生产成本和布线难度。

Description

一种单通道输入电路

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，具体涉及一种单通道输入电路。

背景技术

在工业生产现场，由于各用户配备的设备不同，有的设备的输出信号是电压型信号，有的设备的输出信号是电流型信号。在设计电路的时候，由于不确定外部输入的信号是电压型信号还是电流型信号，所以采用两个不同的通道，来分别设计电压输入通道电路和电流输入通道电路，来保障不同工业设备之间的兼容性。

在工业生产过程中，不同设备之间传输着各种各样的信号(例如温度、压力、流量和位移等)，每一组信号均需要分别设计两个不同的通道，各设备的外部输入信号需要设置多组，导致主控制芯片的引脚不足，需要增加DA转换芯片的数量，不仅增加了控制板的生产成本，还增大了控制板的体积及布线难度，增加了人员接线失误的可能性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何既能保障不同设备之间的兼容性，又能提高输入通道的利用率，降低生产成本和布线难度。

为达到以上目的，本发明提供的一种单通道输入电路，包括信号输入端口和信号输出端口，信号输入端口用于输入电压信号或者电流信号，所述单通道输入电路还包括电压选控电路、电流选控电路和信号调理电路，电压选控电路用于在接收到电压选控信号时，将输入的电压信号传输至信号调理电路；电流选控电路用于在接收到电流选控信号时，将输入的电流信号转换成电压信号后传输至信号调理电路；信号调理电路用于将电压信号调节至控制芯片适用的电压信号后，传输至信号输出端口。

在上述技术方案的基础上，所述电压选控电路包括带有多个引脚的芯片开关U2，芯片开关U2的控制引脚串联有电阻R1，芯片开关U2的输入引脚与信号输入端口连接，芯片开关U2的输出引脚与信号调理电路的输入端连接；当芯片开关U2的控制引脚接收到高电平的电压选控信号时，芯片开关U2将信号输入端口IN与信号调理电路连接，用于将输入的电压信号传输至信号调理电路；

所述电流选控电路包括运算放大器U1D和三级管Q1，运算放大器U1D的正向输入端用于接收电流选控信号，运算放大器U1D的输出端与三级管Q1的b极连接，运算放大器U1D的反向输入端串联电阻R7后接地，三级管Q1的e极串联电阻R8后接地；三级管Q1的c极与信号输入端口之间连接有二极管D2，且二极管D2的负极与三级管Q1的c极连接，三级管Q1的e极与信号调理电路之间连接有电阻R9。

在上述技术方案的基础上，所述电压选控电路还包括双开关二极管D1，双开关二极管D1的正极引脚连接+15V电源，双开关二极管D1的负极引脚连接-15V电源，双开关二极管D1包括两个并联且同向设置的二极管，两个二极管之间设有引脚3，引脚3与信号输入端口之间连接有电阻R2，双开关二极管D1的引脚3与芯片开关U2的输入引脚之间连接有电阻R3。

在上述技术方案的基础上，所述电压选控电路还包括一侧接地的电容C1，电容C1另一侧与电阻R1接收电压选控信号的一端连接，用于过滤电压选控信号的噪音和干扰。

在上述技术方案的基础上，所述电流选控电路还包括运算放大器U1C，运算放大器U1C的正向输入端与芯片开关U2的输出引脚连接，运算放大器U1C的反向输入端与运算放大器U1D的反向输入端连接，运算放大器U1C的输出端与运算放大器U1D的反向输入端之间连接有二极管D3，二极管D3的正极与运算放大器U1C的输出端连接。

在上述技术方案的基础上，所述运算放大器U1D的正向输入端与反向输入端之间连接有电容C4，用于对运算放大器U1D的正向输入端和反向输入端进行滤波。

在上述技术方案的基础上，所述电流选控电路还包括电容C2和电容C3，电容C2并联在二极管D2的两端，电容C3一侧与三级管Q1的c极连接，电容C1另一侧接地。

在上述技术方案的基础上，所述信号调理电路包括运算放大器U1A和输出端与信号输出端口连接的运算放大器U1B，运算放大器U1A的正向输入端作为信号调理电路的输入端，运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R11后接地，且电阻R11两端并联有电容C8；

所述运算放大器U1A的反向输入端与运算放大器U1B的正向输入端之间连接有电阻R12，运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1B的正向输入端之间连接有电阻R10；运算放大器U1B的正向输入端串联电阻R6后，与+3.3V的电源连接，运算放大器U1B的反向输入端与其输出端之间连接有电阻R5。

在上述技术方案的基础上，所述运算放大器U1A的正向输入端与反向输入端之间连接有电容C6，用于对运算放大器U1A的正向输入端和反向输入端进行滤波。

在上述技术方案的基础上，所述运算放大器U1A与工作电源连接的一个引脚串联电容C5后接地，运算放大器U1A与工作电源连接的另一个引脚串联电容C7后接地。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)将两个不同的通道合并成一个单通道，既可以输入电流信号，也可以输入电压信号，提高输入通道的利用率，使不同类型的外部输入信号均能适用于控制芯片，不仅能保障不同设备之间的兼容性，还能降低生产成本和布线难度，有效降低人员接线失误的可能性；

2)将运算放大器U1C的反向输入端与运算放大器U1D的反向输入端连接，可实现电流选控电路的双重锁定的功能；当电压选控信号为高电平时，使运算放大器U1D的反向输入端比其同向输入端的电压高，运算放大器U1D的输出端为负电压，进而确保三级管Q1处于截至区，对低电平的电流选控信号形成隔断，相当于加上了一道保险，提高单通道输入电路的可靠性；

3)在信号调理电路中，先利用运算放大器U1A将输出的电压信号调节为适用于控制芯片的电压信号后，再将运算放大器U1B的反向输入端通过电阻R5与其输出端之间连接，用于增加调节后的电压信号的驱动能力(即电流)，而不改变电压值，有效避免调节后的电压信号被拉垮，进而保障不同设备之间的兼容性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的电路结构示意图。

图3为本发明中电压选控电路的结构示意图。

图4为本发明中电流选控电路的结构示意图。

图5为本发明中信号调理电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中芯片开关为现有技术，以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

实施例1：一种单通道输入电路，参见图1所示，包括信号输入端口IN、信号输出端口OUT、电压选控电路、电流选控电路和信号调理电路，信号输入端口IN用于输入电压信号或者电流信号；电压选控电路用于在接收到电压选控信号时，将输入的电压信号传输至信号调理电路；电流选控电路用于在接收到电流选控信号时，将输入的电流信号转换成电压信号后传输至信号调理电路；信号调理电路用于将电压信号调节至控制芯片适用的电压信号后(升高或降低电压信号的电压)，传输至信号输出端口OUT。

在本发明实施例中，鉴于现有的控制器芯片主要是电压信号输入输出，当外部输入信号为电压信号时，采用电压选控信号触发电压选控电路，将电压信号传输至信号调理电路处理后，传输至信号输出端口OUT；当外部输入信号为电流信号时，采用电流选控信号触发电流选控电路，先将电流信号转换成电压信号，再传输至信号调理电路处理后，传输至信号输出端口OUT。

本发明将两个不同的通道合并成一个单通道，既可以输入电流信号，也可以输入电压信号，提高输入通道的利用率，使不同类型的外部输入信号均能适用于控制芯片，不仅能保障不同设备之间的兼容性，还能降低生产成本和布线难度，有效降低人员接线失误的可能性。

本发明的创新之处在于：将两个不同的通道设计为一个通道，实现电压信号或电流信号的选择输入，既能保障不同设备之间的兼容性，又能提高输入通道的利用率，这是本领域普通技术人员难以想到的。难以想到的原因在于：

1)如背景技术所述，为保障对不同设备的兼容性，本领域普通技术人员均分别设计电压输入通道电路和电流输入通道电路，即：不同类型的输入信号所造成的兼容性问题已得到“完美”的解决方案，克服了现有技术中单通道输入电路不能实现电压或电流可选输入的技术偏见，故不经过反复思考和探索(即付出创造性劳动)没有动机想到该技术问题；

2)申请人未查阅到本申请技术方案的文献记载，即：将两个不同的通道合并成一个单通道，既可以输入电流信号，也可以输入电压信号，来成倍提高输入通道的利用率，本领域普通技术人员没有技术启示。

实施例2：在实施例1的基础上，参见图2和3所示，所述电压选控电路包括带有多个引脚的芯片开关U2，芯片开关U2的控制引脚1连接有电阻R1，芯片开关U2通过电阻R1来接收电压选控信号，电阻R1起限流和保护作用，防止对芯片开关U2的损坏。

参见图3所示，所述芯片开关U2的输入引脚2与信号输入端口IN连接，芯片开关U2的输出引脚3与信号调理电路的输入端连接，(信号输入端口IN和信号调理电路分别与芯片开关U2对应的引脚电连接)。当芯片开关U2的控制引脚1接收到高电平的电压选控信号时，芯片开关U2的输入引脚2与输出引脚3导通，将信号输入端口IN与信号调理电路连接，将输入的电压信号传输至信号调理电路。

参见图4所示，所述电流选控电路包括运算放大器U1D和三级管Q1，运算放大器U1D的正向输入端用于接收电流选控信号，运算放大器U1D的输出端与三级管Q1的b极连接，运算放大器U1D的反向输入端串联电阻R7后接地，三级管Q1的e极串联电阻R8后接地。

优选地，所述运算放大器U1D的输出端与三级管Q1的b极之间连接有驱动电阻R4，避免流入三级管Q1的电流过大。

参见图4所示，所述三级管Q1的e极与信号调理电路之间连接有电阻R9，三级管Q1的c极与信号输入端口IN之间连接有二极管D2，且二极管D2的负极与三级管Q1的c极连接，用于确保输入的电流信号单向导通后，流入三级管Q1的c极。优选地，所述二极管D2可由多个二极管并联组成。

优选地，所述芯片开关U2优选为ADG442BRZ芯片，可供四组控制信号使用，极大地节省成本和减小结构体积。

在本发明实施例中，输出控制信号包括一对互补的电压选控信号V_Select和电流选控信号I_Select。参见图2所示，当电压选控信号V_Select为高电平时，则电流选控信号I_Select为低电平；芯片开关U2的控制引脚1接收到高电平的电压选控信号，根据芯片的逻辑关系，芯片开关U2的输入引脚2与输出引脚3导通，将信号输入端口IN与信号调理电路连接，将输入的电压信号传输至信号调理电路。三级管Q1的b极为低电平，低于其e极的电压，三极管Q1工作于截至区。

同理，当电压选控信号V_Select为低电平时，则电流选控信号I_Select为高电平；芯片开关U2的控制引脚1接收到低电平的电压选控信号，根据芯片的逻辑关系，芯片开关U2的输入引脚2与输出引脚3保持关断。由于电流选控信号I_Select的电流驱动能力有限，本发明实施例采用运算放大器U1D来增大电流选控信号I_Select对Q1的驱动能力；三级管Q1的b极为高电平，使三极管Q1导通，且工作在饱和区，将输入的电流信号经电阻R9转化为电压信号后，传输至信号调理电路。

实施例3：在实施例2的基础上，参见图3所示，所述电压选控电路还包括双开关二极管D1，双开关二极管D1的负极引脚1连接-15V电源，双开关二极管D1的正极引脚2连接+15V电源，双开关二极管D1包括两个串联的第一二极管和第二二极管，第一二极管的负极与第二二极管的正极连接，第一二极管和第二二极管之间设置有引脚3，双开关二极管D1的引脚3与信号输入端口IN之间连接有电阻R2，双开关二极管D1的引脚3与芯片开关U2的输入引脚2之间连接有电阻R3。

在本发明实施例中，R2和R3串联在信号输入端口IN与芯片开关U2之间，起到缓冲和保护作用，同时利用双开关二极管D1来限定输入的电压信号在正负15V以内。若输入信号的电压超出+15V，则会从双开关二极管D1的引脚2流出；若输入信号的电压低于-15V，则会从双开关二极管D1的引脚1流入进行补偿，进而确保芯片开关U2的输入引脚2的电压在正负15V之间。

实施例4：在实施例2的基础上，参见图3所示，所述电压选控电路还包括一侧接地的电容C1，电容C1另一侧与电阻R1接收电压选控信号的一端连接，用于滤掉电压选控信号的噪音和干扰，进而提升单通道输入电路的抗干扰能力。

实施例5：在实施例2的基础上，参见图2所示，所述电流选控电路还包括运算放大器U1C，运算放大器U1C的正向输入端与芯片开关U2的输出引脚3连接，运算放大器U1C的反向输入端与运算放大器U1D的反向输入端连接，运算放大器U1C的输出端与运算放大器U1D的反向输入端之间连接有二极管D3，二极管D3的正极与运算放大器U1C的输出端连接。

在本发明实施例中，将运算放大器U1C的反向输入端与运算放大器U1D的反向输入端连接，可实现电流选控电路的双重锁定的功能。当电压选控信号V_Select为高电平时，则电流选控信号I_Select为低电平；芯片开关U2的输出引脚3为高电平，运算放大器U1C的正向输入端也为高电平，二极管D3导通，使运算放大器U1D的反向输入端比其同向输入端的电压高，运算放大器U1D的输出端为负电压，进而确保三级管Q1处于截至区，对电流选控信号I_Select形成隔断，相当于加上了一道保险，提高单通道输入电路的可靠性。

实施例6：在实施例2的基础上，参见图4所示，所述运算放大器U1D的正向输入端与反向输入端之间连接有电容C4，用于对运算放大器U1D的正向输入端和反向输入端进行滤波，以滤去差模干扰。

实施例7：在实施例2的基础上，参见图4所示，所述电流选控电路还包括电容C2和电容C3，电容C2并联在二极管D2的两端，电容C3一侧与三级管Q1的c极连接，电容C1另一侧接地。

在本发明实施例中，采用电容C2来过滤二极管D2在导通和断开的状态之间切换时的产生的噪声和干扰，同时接地的电容C3与三级管Q1连接，有利于稳定三级管c极的输入信号。

实施例8：在实施例1的基础上，参见图5所示，所述信号调理电路包括运算放大器U1A和输出端与信号输出端口OUT连接的运算放大器U1B，运算放大器U1A的正向输入端作为信号调理电路的输入端，运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R11后接地，且电阻R11两端并联有电容C8。

所述运算放大器U1A的反向输入端与运算放大器U1B的正向输入端之间连接有电阻R12，运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1B的正向输入端之间连接有电阻R10；运算放大器U1B的正向输入端串联电阻R6后，与+3.3V的电源连接，运算放大器U1B的反向输入端与其输出端之间连接有电阻R5。

在本发明实施例中，先利用运算放大器U1A将输出的电压信号，经过电阻R10、电阻R6和+3.3V电源的调节后，变成能适用于控制芯片的电压信号，以保障不同设备之间的兼容性；再将运算放大器U1B的反向输入端通过电阻R5与其输出端之间连接，运算放大器U1B构成一个电压跟随器(电压跟随器只需采取很小的输入信号电流即可，输出的大电流由芯片的电源提供)，用于增加调节后的电压信号的驱动能力(即电流)，而不改变电压值，有效避免调节后的电压信号被拉垮。

此外，将电容C8并联在接地电阻R11两端，用于对运算放大器U1A正向输入端的电压信号进行滤波，进而共同提升单通道输入电路的稳定性。

实施例9：在实施例8的基础上，参见图5所示，所述运算放大器U1A的正向输入端与反向输入端之间连接有电容C6，用于对运算放大器U1A的正向输入端和反向输入端进行滤波，以滤去差模干扰。

实施例10：在实施例8的基础上，参见图5所示，所述运算放大器U1A的引脚4连接+15V的工作电源，运算放大器U1A的引脚11连接-15V的工作电源，运算放大器U1A的引脚4串联电容C7后接地，运算放大器U1A的引脚11串联电容C5后接地。

在本发明实施例中，采用两个接地的电容C5和C7，分别与运算放大器U1A的工作电源的正负引脚连接，用于稳定运算放大器U1A工作电压。在此基础上，本发明将四个运算放大器U1A、U1B、U1C和U1D封装在同一个芯片上，采用相同的工作电源集中供电，有利于提高单通道输入电路的可靠性。

本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种单通道输入电路，包括信号输入端口和信号输出端口，信号输入端口用于输入电压信号或者电流信号，其特征在于：所述单通道输入电路还包括电压选控电路、电流选控电路和信号调理电路，电压选控电路用于在接收到电压选控信号时，将输入的电压信号传输至信号调理电路；电流选控电路用于在接收到电流选控信号时，将输入的电流信号转换成电压信号后传输至信号调理电路；信号调理电路用于将电压信号调节至控制芯片适用的电压信号后，传输至信号输出端口。

2.如权利要求1所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述电压选控电路包括带有多个引脚的芯片开关U2，芯片开关U2的控制引脚串联有电阻R1，芯片开关U2的输入引脚与信号输入端口连接，芯片开关U2的输出引脚与信号调理电路的输入端连接；当芯片开关U2的控制引脚接收到高电平的电压选控信号时，芯片开关U2将信号输入端口IN与信号调理电路连接，用于将输入的电压信号传输至信号调理电路；

所述电流选控电路包括运算放大器U1D和三级管Q1，运算放大器U1D的正向输入端用于接收电流选控信号，运算放大器U1D的输出端与三级管Q1的b极连接，运算放大器U1D的反向输入端串联电阻R7后接地，三级管Q1的e极串联电阻R8后接地；三级管Q1的c极与信号输入端口之间连接有二极管D2，且二极管D2的负极与三级管Q1的c极连接，三级管Q1的e极与信号调理电路之间连接有电阻R9。

3.如权利要求2所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述电压选控电路还包括双开关二极管D1，双开关二极管D1的正极引脚连接+15V电源，双开关二极管D1的负极引脚连接-15V电源，双开关二极管D1包括两个并联且同向设置的二极管，两个二极管之间设有引脚3，引脚3与信号输入端口之间连接有电阻R2，双开关二极管D1的引脚3与芯片开关U2的输入引脚之间连接有电阻R3。

4.如权利要求2所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述电压选控电路还包括一侧接地的电容C1，电容C1另一侧与电阻R1接收电压选控信号的一端连接，用于过滤电压选控信号的噪音和干扰。

5.如权利要求2所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述电流选控电路还包括运算放大器U1C，运算放大器U1C的正向输入端与芯片开关U2的输出引脚连接，运算放大器U1C的反向输入端与运算放大器U1D的反向输入端连接，运算放大器U1C的输出端与运算放大器U1D的反向输入端之间连接有二极管D3，二极管D3的正极与运算放大器U1C的输出端连接。

6.如权利要求2所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述运算放大器U1D的正向输入端与反向输入端之间连接有电容C4，用于对运算放大器U1D的正向输入端和反向输入端进行滤波。

7.如权利要求2所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述电流选控电路还包括电容C2和电容C3，电容C2并联在二极管D2的两端，电容C3一侧与三级管Q1的c极连接，电容C1另一侧接地。

8.如权利要求1所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述信号调理电路包括运算放大器U1A和输出端与信号输出端口连接的运算放大器U1B，运算放大器U1A的正向输入端作为信号调理电路的输入端，运算放大器U1A的正向输入端串联电阻R11后接地，且电阻R11两端并联有电容C8；

所述运算放大器U1A的反向输入端与运算放大器U1B的正向输入端之间连接有电阻R12，运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1B的正向输入端之间连接有电阻R10；运算放大器U1B的正向输入端串联电阻R6后，与+3.3V的电源连接，运算放大器U1B的反向输入端与其输出端之间连接有电阻R5。

9.如权利要求8所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述运算放大器U1A的正向输入端与反向输入端之间连接有电容C6，用于对运算放大器U1A的正向输入端和反向输入端进行滤波。

10.如权利要求8所述的一种单通道输入电路，其特征在于：所述运算放大器U1A与工作电源连接的一个引脚串联电容C5后接地，运算放大器U1A与工作电源连接的另一个引脚串联电容C7后接地。