CN110376421A - 一种模拟量输入信号的检测电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种模拟量输入信号的检测电路，通过按比例转换电路将输入的模拟量输入信号按比例降压为非负电压信号，再采用极性判断电路对输入的模拟量信号的极性进行判断。由于一方面不需要在模拟量信号的检测电路中提供负电源，另一方面将模拟量输入信号进行了按比例降压处理，使得模拟量信号检测电路的生产成本降低，其检测精度也得到提高。

Description

一种模拟量输入信号的检测电路
技术领域
本发明涉及模拟量输入信号技术领域，具体涉及一种模拟量输入信号的检测电路。
背景技术
在现阶段的工业现场，大量的应用场合使用模拟量输入信号来传递指令信号和反馈信号。例如变频驱动器一般都会配置有模拟量输入口，简称AI，通过该模拟量，驱动器可以接收上位控制器的速度、转矩、压力等相关指令，也可以接收各种传感器或者其他设备送过来的模拟量输入信号。指令信号或传感器信号一般都为电压类型信号和电流类型信号，其中电压类型信号一般为-10至+10V的电压信号。由于针对-10-+10V的模拟量输入信号目前传统的方案是通过运放比例电路或者电阻分压的方式再加上偏置电路，将-10至+10V的模拟量输入信号转换为MCU可以接收的0至3.3V模拟量输入信号。然而存在个问题是部分模拟量接收系统一般没有负电源，需要为此模拟量输入处理电路专门提供负电源，增加成本。
发明内容
本发明提供模拟量信号解决没有负电源的模拟量输入信号接收系统对负电压模拟量输入信号的处理问题。
根据第一方面，一种实施例中提供一种模拟量输入信号的检测电路，包括：
按比例转换电路，将输入的模拟量输入信号按比例降压为非负电压信号；
极性判断电路，当所述模拟量输入信号为负电压时，输出表示所述模拟量输入信号为负电压的信号，反之，则输出一表示所述模拟量输入信号为非负电压的信号。
进一步，所述按比例转换电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、第一运算放大器、第二运算放大器和两个相同的二极管D10；
电阻R10包括第一端和第二端；电阻R10的第一端用于作为所述模拟量输入信号的输入端；
电阻R11的一端与第一运算放大器的正输入端连接，另一端与电阻R10的第二端连接；
电阻R12的一端与第一运算放大器的负输入端连接，另一端与电阻R10的第二端连接；
电阻R13的两端分别与第一运算放大器的负输入端与第一运算放大器的输出端连接；
第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的正输入端连接；
第二运算放大器的负输入端和第二运算放大器的输出端连接；
电阻R14的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与一接地的电阻R15连接；
电阻R15非接地的一端与一个二级管D10的正输入端连接，该二级管D10的负输入端用于连接参考电压VCC；
电阻R15非接地的一端还与另一个二级管D10的负输入端连接，该另一个二级管D10的正输入端接地；
电阻R15非接地的一端还用于作为所述按比例转换电路的输出端。
进一步，电阻R10的阻值为电阻R12的一半。
进一步，所述按比例转换电路还包括电感L1；电感L1的一端与电阻R10的第一端连接，另一端用于接收所述模拟量输入信号；
和/或，所述按比例转换电路还包括电容C11；电容C11串联在电阻R10的第二端与地之间；
和/或，所述按比例转换电路还包括电容C12；电容C12串联在第一运算放大器的正输入端和负输入端之间。
进一步，所述极性判断电路包括第三运算放大器、电容C20和一组二极管；
第三运算放大器的正输入端与第一运算放大器的正输入端连接，用于作为所述极性判断电路的输入端；
第三运算放大器的负输入端与地连接；
电容C20串联在第三运算放大器的正输入端与第三运算放大器的负输入端之间；
所述一组二极管包括多个依次串联的二极管D20，其中一个二极管D20的正输入端用于作为所述一组二极管的正输入端，下一个二级管D20的正输入端与上一个二级管D20的负输入端连接，最后一个二级管D20的负输入端用于作为所述一组二极管的负输入端；所述一组二极管的正输入端与第三运算放大器的输出端连接，所述一组二极管的负输出端与第三运算放大器的正输入端连接；
第三运算放大器的输出端用于作为所述极性判断电路的输出端。
进一步，所述极性判断电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、比较器IC19、第三运算放大器、电容C20和二极管D20；
第三运算放大器的正输入端与第一运算放大器的正输入端连接，用于作为所述极性判断电路的输入端；
第三运算放大器的负输入端与地连接；
电容C20串联在第三运算放大器的正输入端与第三运算放大器的负输入端之间；
二极管D20的正输入端与第三运算放大器的输出端连接，二极管D20的负输出端与第三运算放大器的正输入端连接；
第三运算放大器的输出端与比较器IC19的正输入端连接；
电阻R20一端与比较器IC19的负输出端连接，另一端用于作为参考电压VCC的输入端；
电阻R21串联在比较器IC19的负输出端与地之间；
电阻R22一端与比较器IC19的输出端连接，另一端用于作为参考电压VCC的输入端；
电阻R23的一端与比较器IC19的输出端连接，电阻R23的另一端用于作为所述极性判断电路的输出端。
进一步，还包括MCU，分别与所述按比例转换电路的输出端和所述极性判断电路的输出端连接，用于MCU依据所述按比例转换电路和所述极性判断电路输出的电压值判断所述模拟量输入信号的电压值和极性。
进一步，二极管D20是对管。
进一步，第一运算放大器、第二运算放大器和/或第三运算放大器为单电源供电放大器。
依据上述实施例的模拟量信号的检测电路，通过按比例转换电路将输入的模拟量输入信号按比例降压为非负电压信号，再采用极性判断电路对输入的模拟量信号的极性进行判断。由于一方面不需要在模拟量信号的检测电路中提供负电源，另一方面将模拟量输入信号进行了按比例降压处理，使得模拟量信号检测电路的生产成本降低，其检测精度也得到提高。
附图说明
图1为一种实施例的模拟信号处理电路示意图；
图2为一种实施例中模拟量输入信号的检测电路的结构示意图；
图3为一种实施例中模拟量输入信号检测电路的按比例转换电路示意图；
图4为一种实施例中模拟量输入信号检测电路的极性判断电路示意图；
图5为一种实施例中模拟量输入信号检测电路的极性判断电路示意图；
图6为另一种实施例中模拟量输入信号的检测电路的电路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
请参考图1，为一种实施例的模拟信号处理电路示意图，整个模拟开关电路可切换为电压型或电流型方式工作，如果输入类型为电压型，通过菜单参数选择，DSP/MCU控制管脚输出低电平，模拟开关断开，电流转电压电路与输入点被切断，从端口进来的电压型输入直接进到模拟量处理电路；如果输入类型为电流型，通过菜单参数控制DSP/MCU管脚输出高电平，模拟开关电路导通，电流转电压电路接入输入端口，将电流信号转化成电压信号，然后进入模拟量处理电路。其中，模拟开关电路中的U14需要正负电源供电。另外在现有技术中，除了本申请的背景技术中指出的部分模拟量接收系统一般没有负电源，需要为此模拟量输入处理电路专门提供负电源的问题外，还存在当外部输入20V电压而对应AD口的电压为3.3V时，会导致部分应用现场模拟量检测的精度不够，影响模拟量接收系统控制性能。
在本发明实施例中，通过按比例转换电路将输入的模拟量输入信号按比例降压为非负电压信号，再采用极性判断电路对输入的模拟量信号的极性进行判断。由于一方面不需要在模拟量信号的检测电路中提供负电源，另一方面将模拟量输入信号进行了按比例降压处理，使得模拟量信号检测电路的生产成本降低，其检测精度也得到提高。
实施例一
请参照图2，为一种实施例中模拟量输入信号的检测电路的结构示意图，包括按比例转换电路10、极性判断电路20和MCU30。按比例转换电路10将输入的模拟量输入信号AI按比例降压为非负电压信号AI_IN，用于MCU依据该非负电压信号AI_IN定量判断模拟量输入信号AI的电压值。极性判断电路20用于判断模拟量输入信号AI的极性，当模拟量输入信号AI为负电压时，输出表示模拟量输入信号为负电压的信号AI_SIGN，反之，则输出一表示模拟量输入信号AI为非负电压的信号AI_SIGN。一实施例中，表示模拟量输入信号为负电压的信号AI_SIGN为第一预设电压信号，表示模拟量输入信号AI为非负电压的信号AI_SIGN为第二预设电压信号。MCU依据第一预设电压信号和第二预设电压信号判断模拟量输入信号AI的极性，因非负电压信号AI_IN是模拟量输入信号AI按比例降压的，故MCU可依据比例关系获取模拟量输入信号AI的原电压值。
请参照图3，为一种实施例中模拟量输入信号检测电路的按比例转换电路示意图，按比例转换电路10包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、第一运算放大器IC18-1、第二运算放大器IC18-2和两个相同的二极管D10。电阻R10包括第一端和第二端，电阻R10的第一端用于作为模拟量输入信号的输入端。电阻R11的一端与第一运算放大器IC18-1的正输入端连接，另一端与电阻R10的第二端连接。电阻R12的一端与第一运算放大器IC18-1的负输入端连接，另一端与电阻R10的第二端连接。电阻R13的两端分别与第一运算放大器IC18-1的负输入端与第一运算放大器IC18-1的输出端连接。第一运算放大器IC18-1的输出端和第二运算放大器IC18-2的正输入端连接。第二运算放大器IC18-2的负输入端和第二运算放大器IC18-2的输出端连接。电阻R14的一端与第二运算放大器IC18-2的输出端连接，另一端与一接地的电阻R15连接。电阻R15非接地的一端与一个二级管D10的正输入端连接，该二级管D10的负输入端用于连接参考电压VCC。电阻R15非接地的一端还与另一个二级管D10的负输入端连接，该另一个二级管D10的正输入端接地。电阻R15非接地的一端还用于作为按比例转换电路10的输出端。一实施例中，电阻R10的阻值为电阻R12的一半。一实施例中，按比例转换电路10还包括电感L1，电感L1的一端与电阻R10的第一端连接，另一端用于接收模拟量输入信号。一实施例中，按比例转换电路10还包括电容C11，电容C11串联在电阻R10的第二端与地之间。一实施例中，按比例转换电路10还包括电容C12，电容C12串联在第一运算放大器IC18-1的正输入端和负输入端之间。
请参照图4，为一种实施例中模拟量输入信号检测电路的极性判断电路示意图，极性判断电路20包括第三运算放大器IC18-3、电容C20和一组二极管。第三运算放大器IC18-3的正输入端与第一运算放大器IC18-1的正输入端连接，即与按比例转换电路10连接，用于作为极性判断电路20的输入端。第三运算放大器IC18-3的负输入端与地连接。电容C20串联在第三运算放大器IC18-3的正输入端与第三运算放大器IC18-3的负输入端之间。一组二极管包括若干个依次串联的二极管D20，其中一个二极管D20的正输入端用于作为一组二极管的正输入端，下一个二级管D20的正输入端与上一个二级管D20的负输入端连接，最后一个二级管D20的负输入端用于作为一组二极管的负输入端。一组二极管的正输入端与第三运算放大器IC18-3的输出端连接，该一组二极管的负输出端与第三运算放大器IC18-3的正输入端连接。第三运算放大器IC18-3的输出端用于作为极性判断电路20的输出端，以输出表示模拟量输入信号为负或非负电压的信号AI_SIGN给MCU30。
请参照图5，为一种实施例中模拟量输入信号检测电路的极性判断电路示意图，极性判断电路20包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、比较器IC19、第三运算放大器IC18-3、电容C20和二极管D20。第三运算放大器IC18-3的正输入端与第一运算放大器IC18-1的正输入端连接，即与按比例转换电路10连接，用于作为极性判断电路20的输入端。第三运算放大器IC18-3的负输入端与地连接，电容C20串联在第三运算放大器IC18-3的正输入端与第三运算放大器IC18-3的负输入端之间。二极管D20的正输入端与第三运算放大器的输出端连接，二极管D20的负输出端与第三运算放大器IC18-3的正输入端连接，第三运算放大器IC18-3的输出端与比较器IC19的正输入端连接，电阻R20一端与比较器IC19的负输出端连接，另一端用于作为参考电压VCC的输入端。电阻R21串联在比较器IC19的负输出端与地之间，电阻R22一端与比较器IC19的输出端连接，另一端用于作为参考电压VCC的输入端，电阻R23的一端与比较器IC19的输出端连接，电阻R23的另一端用于作为极性判断电路20的输出端，以输出表示模拟量输入信号为负或非负电压的信号AI_SIGN给MCU30。
一实施例中，模拟量输入信号检测电路还包括MCU30，分别与按比例转换电路10的输出端和极性判断电路20的输出端连接，用于MCU30依据按比例转换电路10和极性判断电路20输出的电压值判断模拟量输入信号的电压值和极性。一实施例中，当极性判断电路20的输出端输出的电压为0时，则MCU判断模拟量输入信号的极性为负；当极性判断电路20的输出端输出的电压为非0时，则MCU30判断模拟量输入信号的极性为正。一实施例中，二极管D20是对管。一实施例中，第一运算放大器IC18-1、第二运算放大器IC18-2和第三运算放大器IC18-3为单电源供电放大器。
本实施例中的模拟量信号的检测电路，通过按比例转换电路将输入的模拟量输入信号按比例降压为非负电压信号，再采用极性判断电路对输入的模拟量信号的极性进行判断。由于一方面不需要在模拟量信号的检测电路中提供负电源，另一方面将模拟量输入信号进行了按比例降压处理，使得模拟量信号检测电路的生产成本降低，其检测精度也得到提高。
实施例二
请参照图6，为另一种实施例中模拟量输入信号的检测电路的电路示意图，该检测电路与实施例一的检测电路的区别在于，电阻R10包括并联连接的电阻R101和电阻R102，电阻R13包括串联连接的电阻R131和电阻R132，电阻R14包括串联连接的电阻R141和电阻R142。其中，第一运算放大器IC18-1、第二运算放大器IC18-2和第三运算放大器IC18-3为单电源供电放大器。
一实施例中，当输入电压大于0时：
第一运算放大器IC18-1的脚10和第三运算放大器IC18-3的脚6短接在一起，由运放“虚断”且D20处于截止状态可知流过R11的电流为0,因此电阻R11的第一端1和第二端2的电压为：
VR11-1＝VR11-2，
由运放“虚短”可知：
VR11-2＝VR12-2，
可知电阻R12的电流为0,因此第一运算放大器IC18-1和第二运算放大器IC18-2输出端的电压为：
V第一运算放大器输出端＝V第二运算放大器输出端＝V模拟量输入信号AI，则：
VI非负电压信号AI_IN＝V模拟量输入信号AI*R15/(R142+R141+R15)；
通过电阻R142、电阻R141和电阻R15的阻值参数设置配置其按比例转换电路的比例关系。
由上可知，V第三运算放大器正输入端＝V模拟量输入信号AI；
运放反相输入，由于该运放是单电源供电无法输出负压，因此第三运算放大器IC18-3的输出端只能输出最低0V,即比较器IC19正输入端的电压为0。
比较器IC19的负输入端的电压值为：
V比较器负输入端＝VCC*R21/R20,通过设置电阻R21和电阻R20设置比较器IC19的负输入端的电压值为0.2V。
因比较器IC19的负输入端大于比较器IC19的正输入端，故表示模拟量输入信号为负或非负电压的信号AI_SIGN给MCU的电压值为0，则MCU接收的信号AI_SIGN的电压为0时，判断模拟量输入信号的极性为负。
当输入电压小于0时：
D20处于正向导通状态，根据第一运算放大器IC18-1和第三运算放大器IC18-3“虚短”可知，第一运算放大器IC18-1和第三运算放大器IC18-3的正负输入端的电压都为0V，那么第三运算放大器IC18-3的正输出端的电压与二极管D20的电压、比较器IC19的正输入端的电压为0.7V(即二极管典型导通压降)。
因比较器IC19的正输入端大于比较器IC19的负输入端，故表示模拟量输入信号为负或非负电压的信号AI_SIGN给MCU的电压值为3.3V，则MCU接收的信号AI_SIGN的电压为3.3V时，判断模拟量输入信号的极性为正。
由于第一运算放大器IC18-1的正输入端和负输入端的电压相同且为0，所以流经电阻R11和电阻R12的电流相同，则当设定电阻R101和电阻R102的电阻相同且其电阻值为电阻R12的一半时，电阻R12第1端的电压为：
VR12＝VR101//R102＝1/2V模拟量输入信号AI,则可得：
V第一运算放大器输出端＝(0-1/2V模拟量输入信号AI)*(R131+R132)/R12＝-V模拟量输入信号AI,
上式可通过设置电阻的阻值来实现，以获得非负电压信号AI_IN的电压值为：
V非负电压信号AI_IN＝(-V模拟量输入信号AI)R15/(R141+R142+R15),
进而通过电阻阻值设置配置比例关系。
在MCU端通过内部电压转换比例内部标定关系以及表示模拟量输入信号为负或非负电压的信号AI_SIGN检测电平来判断外部电压值以及极性。通过上述实施例中的模拟量输入信号的检测电路，整个检测系统在不需要负电源的情况下实现-10-+10V模拟量输入的极性检测，再将-10-0V对应转换为0-3.3V,0-10V转换为0-3.3V，进而提高了一倍的检测精度。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种模拟量输入信号的检测电路，其特征在于，包括：
按比例转换电路，将输入的模拟量输入信号按比例降压为非负电压信号；
极性判断电路，当所述模拟量输入信号为负电压时，输出表示所述模拟量输入信号为负电压的信号，反之，则输出一表示所述模拟量输入信号为非负电压的信号。
2.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述按比例转换电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、第一运算放大器、第二运算放大器和两个相同的二极管D10；
电阻R10包括第一端和第二端；电阻R10的第一端用于作为所述模拟量输入信号的输入端；
电阻R11的一端与第一运算放大器的正输入端连接，另一端与电阻R10的第二端连接；
电阻R12的一端与第一运算放大器的负输入端连接，另一端与电阻R10的第二端连接；
电阻R13的两端分别与第一运算放大器的负输入端与第一运算放大器的输出端连接；
第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的正输入端连接；
第二运算放大器的负输入端和第二运算放大器的输出端连接；
电阻R14的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与一接地的电阻R15连接；
电阻R15非接地的一端与一个二级管D10的正输入端连接，该二级管D10的负输入端用于连接参考电压VCC；
电阻R15非接地的一端还与另一个二级管D10的负输入端连接，该另一个二级管D10的正输入端接地；
电阻R15非接地的一端还用于作为所述按比例转换电路的输出端。
3.如权利要求2所述的检测电路，其特征在于，电阻R10的阻值为电阻R12的一半。
4.如权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述按比例转换电路还包括电感L1；电感L1的一端与电阻R10的第一端连接，另一端用于接收所述模拟量输入信号；
和/或，所述按比例转换电路还包括电容C11；电容C11串联在电阻R10的第二端与地之间；
和/或，所述按比例转换电路还包括电容C12；电容C12串联在第一运算放大器的正输入端和负输入端之间。
5.如权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述极性判断电路包括第三运算放大器、电容C20和一组二极管；
第三运算放大器的正输入端与第一运算放大器的正输入端连接，用于作为所述极性判断电路的输入端；
第三运算放大器的负输入端与地连接；
电容C20串联在第三运算放大器的正输入端与第三运算放大器的负输入端之间；
所述一组二极管包括若干个依次串联的二极管D20，其中一个二极管D20的正输入端用于作为所述一组二极管的正输入端，下一个二级管D20的正输入端与上一个二级管D20的负输入端连接，最后一个二级管D20的负输入端用于作为所述一组二极管的负输入端；所述一组二极管的正输入端与第三运算放大器的输出端连接，所述一组二极管的负输出端与第三运算放大器的正输入端连接；
第三运算放大器的输出端用于作为所述极性判断电路的输出端。
6.如权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述极性判断电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、比较器IC19、第三运算放大器、电容C20和二极管D20；
第三运算放大器的正输入端与第一运算放大器的正输入端连接，用于作为所述极性判断电路的输入端；
第三运算放大器的负输入端与地连接；
电容C20串联在第三运算放大器的正输入端与第三运算放大器的负输入端之间；
二极管D20的正输入端与第三运算放大器的输出端连接，二极管D20的负输出端与第三运算放大器的正输入端连接；
第三运算放大器的输出端与比较器IC19的正输入端连接；
电阻R20一端与比较器IC19的负输出端连接，另一端用于作为参考电压VCC的输入端；
电阻R21串联在比较器IC19的负输出端与地之间；
电阻R22一端与比较器IC19的输出端连接，另一端用于作为参考电压VCC的输入端；
电阻R23的一端与比较器IC19的输出端连接，电阻R23的另一端用于作为所述极性判断电路的输出端。
7.如权利要求5或6所述的检测电路，其特征在于，还包括MCU，分别与所述按比例转换电路的输出端和所述极性判断电路的输出端连接，用于MCU依据所述按比例转换电路和所述极性判断电路输出的电压值判断所述模拟量输入信号的电压值和极性。
8.如权利要求7所述的检测电路，其特征在于，当所述极性判断电路的输出端输出的电压为0时，则MCU判断所述模拟量输入信号的极性为负；
和/或，当所述极性判断电路的输出端输出的电压为非0时，则MCU判断所述模拟量输入信号的极性为正。
9.如权利要求5或6所述的检测电路，其特征在于，二极管D20是对管。
10.如权利要求2至6任一项所述的检测电路，其特征在于，第一运算放大器、第二运算放大器和/或第三运算放大器为单电源供电放大器。
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