CN111800137A - 对电压信号进行转换的电路装置和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对电压信号进行转换的电路装置以及一种将电压信号转换为频率信号的电路设备。该电路装置包括：电压转换模块，其配置用于将输入的电压信号进行抗干扰和放大处理，以便使得所述电压信号适合于进行频率转换。所述电路装置还包括：数字频率转换模块，其配置用于将经过所述电压转换模处理之后的电压信号转换为频率信号，以便将所述频率信号输出到控制单元进行处理。本发明的电路装置和设备通过将电压信号进行隔离和放大处理并且将其转换为频率信号，进而可以有效地防止工业设备中常用的电压信号受到设备内部和外部的电磁干扰。

Description

对电压信号进行转换的电路装置和设备

技术领域

本发明一般地涉及工业控制领域。更具体地，本发明涉及一种对电压信号进行转换的电路装置以及一种将电压信号转换为频率信号的电路设备。

背景技术

通常，工业设备中的模拟电压信号在电路中进行传输时，容易受到电磁干扰，其主要原因在于电压信号的内阻较小，更加容易折叠。另外，干扰电压信号的噪音源也多以电压的形式出现，例如来自空间的干扰(辐射)多由电磁感应引起，而电磁感应会产生电压噪声；还有一部分干扰来自电路自身，其也多以电压的形式出现。因此，以电压形式存在的噪声源对需要传输的有用电压信号造成较大的干扰。现有的对电压信号进行抗干扰的技术方案比较复杂，成本较高，而且抗干扰效果并不理想。

发明内容

为至少解决上述背景技术中的一个或多个问题，本发明提供了一种对电压信号进行转换的电路装置。该电路装置首先采用光电耦合器对所述耦合器的输入端和输出端的模拟电压信号进行电气隔离。然后将经过电气隔离之后的模拟电压信号进行放大处理。最后将经过放大之后的模拟电压信号进行数字化处理，以便将其转换为数字频率信号。

具体地，一方面，本发明公开了一种对电压信号进行转换的电路装置。该电路装置包括：电压转换模块，其配置用于将输入的模拟电压信号进行抗干扰和放大处理，以便使得所述模拟电压信号适合于进行数字频率转换；以及数字频率转换模块，其配置用于将经过所述电压转换模处理之后的模拟电压信号转换为数字频率信号，以便将所述数字频率信号输出到控制单元进行处理。

在一个实施例中，所述电压转换模块包括隔离电路和放大电路，其中所述隔离电路配置用于将输入的模拟电压信号进行电气隔离；以及所述放大电路配置用于将经过所述隔离电路电气隔离之后的模拟电压信号进行放大。

在另一个实施例中，所述隔离电路包括由光电耦合器组成的电路，其配置用于将输入的模拟电压信号转换为光信号，再将所述光信号转换为模拟电压信号并进行放大后输出。

在又一个实施例中，所述放大电路是包括由第一集成运算放大器组成的电路，以便将所述光电耦合器输出的模拟电压信号进行放大。

在一个实施例中，所述数字频率转换模块包括积分电路和振荡电路，其中所述积分电路配置用于将所述放大电路输出的模拟电压信号进行积分操作并进行输出；以及所述振荡电路配置用于接收并处理经过所述积分电路积分操作之后的电压信号，以便输出数字频率信号。

在另一个实施例中，所述积分电路包括由第二集成运算放大器组成的电路，以便将所述放大电路输出的模拟电压信号进行积分操作。

在又一个实施例中，所述振荡电路包括由555集成定时器组成的电路，以便将所述积分电路输出的电压信号转换为矩形脉冲信号。

在一个实施例中，本发明的所述电路装置还包括输入电路，其包括由电阻和电容组成的电路，并且配置用于将输入的模拟电压信号转换成差分信号，以便向所述隔离电路进行输出。

在另一个实施例中，本发明的所述电路装置还包括滤波电路，其位于所述隔离电路和放大电路之间，所述滤波电路包括由电阻和电容组成的电路，并且配置用于将所述隔离电路输出的模拟电压信号进行滤除噪声的操作。

另一方面，本发明还公开了一种将电压信号转换为频率信号的电路设备。该电路设备包括：上述实施例中所描述的电路装置以及控制单元。所述控制单元配置用于接收并处理所述电路装置输出的频率信号，以便将输入所述电路装置的电压信号的电压值转换为所述电路装置输出的频率信号的频率值。

本发明的电路装置和设备一方面采用光电耦合器对模拟电压信号进行电气隔离，具有抗干扰能力强，可靠性高的优点。另一方面，当本发明的电路装置和设备采用555集成定时器作为矩形脉冲发生器，并且通过积分电路对其进行控制时，可以提高将模拟电压信号转换为数字频率信号的精度。进一步，本发明的电路装置和设备还具有电路简单、成本较低和输入电压范围大等优点。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据本发明实施例的电路装置的组成框图；

图2是示出根据本发明实施例的电路装置的进一步具体化的组成框图；

图3是示出根据本发明实施例的电路装置的电路原理图；以及

图4是示出根据本发明实施例的电路装置的组成框图。

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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

图1是示出根据本发明实施例的电路装置100的组成框图。为了便于理解本发明的电路装置的功能，图1中还绘出了控制单元，其配置用于接收并处理本发明的电路装置100输出的数字频率信号。

如图1所示，本发明的电路装置100可以包括电压转换模块101和数字频率转换模块102。所述电压转换模块配置用于将输入的模拟电压信号进行抗干扰和放大处理，以便使得所述模拟电压信号适合于进行数字频率转换。所述数字频率转换模块配置用于将经过所述电压转换模处理之后的模拟电压信号转换为数字频率信号，以便将所述数字频率信号输出到控制单元进行处理。

图2是示出根据本发明实施例的电路装置200的进一步具体化的组成框图。这里需要指出的是，图2中的电路装置200可以理解为图1中的电路装置100的一种示例性的实现方式。因此，结合图1所描述的电路装置100的细节也同样适用于图2中的电路装置200的描述。下面将结合图2来描述本发明的电路装置的组成和工作原理。

如图2所示，在一个实施例中，本发明的电路装置200可以包括电压转换模块210和数字频率转换模块220，所述电压转换模块和数字频率转换模块的名称和功能与图1中对应的模块相同，此处不再赘述。在一个实现场景中，所述电压转换模块可以包括隔离电路211和放大电路212，其中所述隔离电路可以配置用于将输入的模拟电压信号进行电气隔离；所述放大电路可以配置用于将经过所述隔离电路电气隔离之后的模拟电压信号进行放大。在另一个实现场景中，所述数字频率转换模块可以包括积分电路221和振荡电路222，其中所述积分电路可以配置用于将所述放大电路输出的模拟电压信号进行积分操作并进行输出；所述振荡电路可以配置用于接收并处理经过所述积分电路积分操作之后的电压信号，以便输出数字频率信号。

图3是示出根据本发明实施例的电路装置300的电路原理图。可以理解的是，图3中的电路装置300为图1中的电路装置100和图2中的电路装置200的一种示例性电路实现，并且图3中虚框所示的电路的名称与图2中的名称相对应。因此，上述关于图1和图2所示电路装置的描述同样也适用于图3所示电路装置的描述。下面结合图3，详细描述本发明的电路装置的组成和工作原理。

为了便于本领域技术人员能够更好地理解本发明的功能和原理，下面将按照本发明的电路装置在工作过程中信号的流向依次对各电路模块进行描述。如图3所示，本发明的电路装置300包括输入电路301、隔离电路302、滤波电路303，放大电路304、积分电路305和振荡电路306。

在一个实施例中，所述输入电路包括由电阻和电容组成的电路，并且配置用于将输入的单路模拟电压信号转换成双路的差分信号，以便向所述隔离电路进行输出，其中所述模拟电压信号的电压值范围可以为0～10V。作为一种示例性的电路实现，所述输入电路例如可以是由图3中的电阻R68、R71、R74和电容C79组成，其中电阻R71的一端连接输入到本发明的电路装置的模拟直流电压信号，另外一端接地，其配置用于将所述模拟电压信号进行分压处理，以便向所述隔离电路提供差分信号VCCP和VCCN。进一步地，所述差分信号VCCP和VCCN经过电阻R68和R74进行限流，再经过电容C79进行稳压处理，最终输出到所述隔离电路的差分输入端。

在另一个实施例中，所述隔离电路配置用于将输入的模拟电压信号进行电气隔离。所述隔离电路可以包括由光电耦合器(简称“光耦”)U22组成的电路，其配置用于将输入的模拟电压信号转换为光信号，再将所述光信号转换为模拟电压信号并进行放大后输出。优选地，所述光电耦合器的型号例如可以为ACPL-C790，其隔离耐压大于1000V，且具有200khz的带宽和1.6μs的快速响应时间，因此，具有很高的精确度和稳定性。

所述光电耦合器的输入端为控制端，包括1、2、3和4管脚；其输出端为驱动端，包括5、6、7和8管脚。其中，控制端管脚2VIN+和3VIN-分别用于接收输入电路发送来的差分信号，驱动端管脚6VOUT+和7VOUT-用于向所述放大电路输出经过耦合之后的差分信号。所述管脚1和8分别用于对所述光电耦合器的输入端和输出端进行供电，如图3所示管脚1接5V1电源，管脚8接5V2电源，并且两路供电电源通过光电耦合器进行电气隔离，以避免相互之间的电气干扰。

在一个实施例中，所述光电耦合器可以由三部分组成：光的发射部分、光的接收部分以及信号放大部分。其中，光的发射部分主要由发光器件构成，例如可以是发光二极管，其可以将电能转化成光能进而发光。光的接收部分可以由光敏器件构成，其可以将接收到的光信号转换成电信号。信号放大部分主要由电子电路等构成，其配置用于将所述光的接受部分发送来的电信号进行放大。

所述光电耦合器在工作时，将模拟电压信号加载到差分输入端，使发光器件的芯体发光。而光敏器件接收到发光器件的光照后产生电流，并经过电子电路放大后差分输出。所述光电耦合器通过电→光→电的转换，从而实现输入端和输出端电路的电气隔离。由于光电耦合器输入端与输出端的电路间互相隔离，而且电信号在传输时具有单向性等特点，因而光电耦合器具有良好的抗电磁波干扰能力和电绝缘能力，从而使得本发明的电路装置在工作中可能产生的高频噪声不会干扰到所述电压模拟信号。

在一个实施例中，所述滤波电路布置于所述隔离电路和所述放大电路之间，其配置用于对所述光电耦合电路输出的模拟电压信号进行滤除噪声的操作。作为一种示例性的电路实现，所述滤波电路例如可以包括由R67和C76组成的低通滤波器，其配置用于对光电耦合器的管脚7VOUT+输出的模拟电压信号进行滤除高频噪声的操作。所述滤波电路例如还可以包括由R75和C81组成的低通滤波器，其配置用于对光电耦合器的管脚6VOUT-输出的模拟电压信号进行滤除高频噪声的操作。

在一个实施例中，所述放大电路可以是包括由第一集成运算放大器组成的电路，以便将所述光电耦合器输出的模拟电压信号进行放大。作为一种示例性的电路实现，例如所述第一集成运算放大器U23可以连接成负反馈的形式，其中U23的同相输入端管脚3通过电阻R69连接光电耦合器的输出端管脚7VOUT+，U23的反相输入端管脚2通过电阻R72连接光电耦合器的输出端管脚6VOUT-。所述U23的输出管脚6连接电阻R75，并通过电阻R75反馈到U23的反相输入端。通过对电阻R75与电阻R72的阻值比例的调整，进而调整所述放大电路的放大倍数，使得所述放大电路对输入的差分模拟电压信号进行一定放大倍数的放大。

在一个实施例中，所述积分电路可以包括由第二集成运算放大器组成的电路，以便将所述放大电路输出的模拟电压信号进行积分操作。作为一种示例性的电路实现，例如第二集成运算放大器U24的同相输入端连接振荡电路的输出端；U24的反相输入端通过电阻R70连接第一集成运算放大器U23的输出端，同时U24的输出端通过电容C82反馈连接到U24的反相输入端，以实现所述积分电路的积分操作功能。

具体地，假设第二集成运算放大器U24的同相输入端和反相输入端的电压值分别为V₁和V₂，U24的输出端电压值为V_o，C82的电容值为C，R70的电阻值为R，根据积分电路理论，则有下式(1)成立：

上式(1)表明，输出电压V_o为差分输入电压(V₂-V₁)对时间的积分，负号表示他们在相位上相反，其中V₁是振荡电路反馈回来的电压值，V₂为第一集成运算放大器U23的输出电压，RC为积分时间常数。所述第一集成运算放大器U23输出的模拟电压信号经过所述积分电路的积分处理之后，转换为锯齿波信号输出到所述振荡电路。

在一个实施例中，所述振荡电路可以包括由555集成定时器组成的电路，以便将所述积分电路输出的锯齿波信号转换为矩形脉冲信号。555集成定时器可以由以下几部分组成：三个阻值相等的电阻组成的分压器；两个比较器C1和C2；一个R-S触发器；一个反相输出缓冲器和晶体管。下面简述555集成定时器的功能和工作原理。

555集成定时器的功能主要由比较器决定，所述比较器的参考电压由分压器提供。比较器C1和C2分别受高触发端和低触发端控制，其输出分别作为R-S触发器的R和S输入信号。当低触发端的输入电压低于电源电压值的三分之一时，比较器C2输出1，从而使得R-S触发器为置“1”状态，经过反相器反相后，555集成定时器输出高电压。若高触发端的输入电压高于或等于电源电压值的三分之二时，比较器C1输出1，从而使得R-S触发器为置“0”状态，经过反相器反相后，555集成定时器输出低电压。如果在555集成定时器的复位端加低电压，则不论两个比较器的输入为何值，R-S触发器都被强制复位。

作为一种示例性的电路实现，所述555集成定时器连接成单稳态电路。具体地，所述555集成定时器共有8个管脚，其中管脚2为555集成定时器的输入端，其用于接收所述积分电路输出的锯齿波信号。管脚3为所述定时器的输出端，其配置用于将555集成定时器产生的矩形脉冲信号FOUT向控制单元输出，以便控制单元进行处理。所述输出端还可以通过电阻R73和电容C83所组成的滤波电路与所述积分电路的同相输入端相连接，以便向所述积分电路的同相输入端输出所述矩形脉冲信号FOUT，进而控制所述积分电路输出的锯齿波信号的特性。

所述555集成定时器的管脚6和管脚7相连接，并且共同连接有电容C85和电阻R77，其中C85的另外一端接地，R77的另外一端连接有5V的电压源。另外，所述555集成定时器的管脚1接地，管脚5通过电容C84接地，管脚4和8分别与5V的电压源连接。下面详细阐述本发明的由555集成定时器组成的振荡电路的功能和工作原理。

所述积分电路输出的锯齿波信号作为负脉冲触发的555集成定时器的触发信号，并被加载到低电压触发管脚

上。当5V电源接通后，假设此时没有触发信号(即积分电路此时输出为高电压)，所述振荡电路达到稳态，555集成定时器的管脚3输出低电压的FOUT。在所述振荡电路处于稳态期间，由于触发信号的电压大于5/3V(电源电压值的三分之一)，故比较器C2输出为低电压，其对R-S触发器的状态无影响。同时晶体管导通，电容C85处于放电状态，与C85相连接的管脚6和7均为低电压。由于此时高触发管脚6的电压值小于比较器C1的参考电压值10/3V(电源电压值的三分之二)，因此比较器C1输出低电压，则R-S触发器保持原有状态，所以当无触发信号时，555集成定时器的管脚3保持输出低电压的FOUT。

当积分电路输出的锯齿波出现下降沿的负窄脉冲时，由于低电压触发管脚

上的电压值低于5/3V，使得比较器C2的输出由低电压跳变到高电压，进而导致R-S触发器被置位“1”，最终555集成定时器的管脚3由输出低电压转换为输出高电压。同时晶体管处于截止状态，则电源经电阻R77向电容C85开始充电，此时振荡电路处于暂稳态。在暂稳态期间，如果此时所述负窄脉冲触发信号消失，则低电压触发管脚

上为高电压，虽然比较器C2的输出会由高电压跳变为低电压，但是这将导致R-S触发器保持原来的状态，因此振荡电路仍然处于暂稳态，最终555集成定时器的管脚3输出电压仍为高电压。

随着电容C85继续充电，当电容上的电压值上升到10/3V时，比较器C1的输出由低电压跳变为高电压，导致R-S触发器被复位，于是振荡电路返回到初始的稳态，最终555集成定时器的管脚3输出电压由高电压转换为低电压。与此同时，晶体管导通，电容C85通过晶体管迅速放电，当电容两端的电压值下降到10/3V时，比较器C1输出低电压，导致R-S触发器的R＝S＝0，于是振荡电路为下次触发翻转做好了准备。当第二个触发信号到来时，又重复上述过程。

本发明的电路装置通过积分电路输出的锯齿波的幅度的不断变化，于是555集成定时器的管脚2不断地被负脉冲触发，从而使得振荡电路输出连续的具有频率变化特性的矩形脉冲信号。并且该矩形脉冲信号作为反馈信号进一步影响积分电路输出的锯齿波的形态。所述矩形脉冲的宽度取决于定时元件电容C85和电阻R77的值，与触发信号的脉冲宽度无关，通过调节所述定时元件，可以改变输出的矩形脉冲信号的宽度。

下面结合图3，简要描述本发明的电路装置的工作原理。

首先，0～10V的模拟电压信号经过输入电路的处理，将单路模拟电压信号转换为双路差分信号，并且输出到光电耦合器的差分输入端。接着，光电耦合器将输入的差分模拟电压信号转换为光信号，再将所述光信号转换为差分模拟电压信号并经过放大后输出。随后，从光电耦合器输出的差分模拟电压信号经过滤波电路进行滤除噪声处理之后，输出到放大电路进行电压放大。然后，再经过积分电路对放大电路输出的模拟电压信号进行积分运算操作，进而将模拟电压信号转换为锯齿波信号。最后，通过锯齿波信号控制振荡电路的触发端，使得振荡电路的输出端输出具有频率变化特性的矩形脉冲信号。

图4是示出根据本发明实施例的电路设备400的组成框图。如图4所示，本发明的电路设备400包括前述实施例中所描述的电路装置410以及控制单元420。所述电路装置410包括电压转换模块411和数字频率转换模块412，其中所述电路装置的各模块的功能和工作原理前面已经进行了详细描述，此处不在赘述。

所述控制单元可以包括控制器及其附属电路，其中所述控制器例如可以是由CPU或者是其他具有计算、分析和判断功能的芯片或电路组成。所述控制单元配置用于接收并处理所述电路装置输出的频率信号，以便将输入所述电路装置的电压信号的电压值转换为所述电路装置输出的频率信号的频率值。具体地，所述控制单元接收振荡电路输出的矩形脉冲信号，并且计算所述矩形脉冲信号的过零点，并经过查询、对比和判断来将接收到的矩形脉冲信号对应于某一频率值，从而最终将模拟电压信号的电压值转换为数字频率信号的频率值。另外，通过调节图3中的电阻R70、R73、R77和电容C82、C83、C85的值，可以调节本发明的电路装置的输出频率的范围，还可以实现输入电压与输出频率的转换精度的调节，通过调节上述元器件，可以使得本发明的电路装置的转换精度高达1％。

在一个实施例中，本发明的电路装置和电路设备还可以包括电源管理模块，其配置用于进行电源管理以及直流电压转换，以便对所述电路装置和电路装置中的各模块进行供电。

应当理解，本发明的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

虽然本发明的实施方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种对电压信号进行转换的电路装置，包括：

电压转换模块，其配置用于将输入的模拟电压信号进行抗干扰和放大处理，以便使得所述模拟电压信号适合于进行数字频率转换；以及

数字频率转换模块，其配置用于将经过所述电压转换模处理之后的模拟电压信号转换为数字频率信号，以便将所述数字频率信号输出到控制单元进行处理。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其中所述电压转换模块包括隔离电路和放大电路，其中

所述隔离电路配置用于将输入的模拟电压信号进行电气隔离；以及

所述放大电路配置用于将经过所述隔离电路电气隔离之后的模拟电压信号进行放大。

3.根据权利要求2所述的电路装置，其中所述隔离电路包括由光电耦合器组成的电路，其配置用于将输入的模拟电压信号转换为光信号，再将所述光信号转换为模拟电压信号并进行放大后输出。

4.根据权利要求3所述的电路装置，其中所述放大电路是包括由第一集成运算放大器组成的电路，以便将所述光电耦合器输出的模拟电压信号进行放大。

5.根据权利要求4所述的电路装置，其中所述数字频率转换模块包括积分电路和振荡电路，其中

所述积分电路配置用于将所述放大电路输出的模拟电压信号进行积分操作并进行输出；以及

所述振荡电路配置用于接收并处理经过所述积分电路积分操作之后的电压信号，以便输出数字频率信号。

6.根据权利要求5所述的电路装置，其中所述积分电路包括由第二集成运算放大器组成的电路，以便将所述放大电路输出的模拟电压信号进行积分操作。

7.根据权利要求5所述的电路装置，其中所述振荡电路包括由555集成定时器组成的电路，以便将所述积分电路输出的电压信号转换为矩形脉冲信号。

8.根据权利要求2所述的电路装置，还包括输入电路，其包括由电阻和电容组成的电路，并且配置用于将输入的模拟电压信号转换成差分信号，以便向所述隔离电路进行输出。

9.根据权利要求2所述的电路装置，还包括滤波电路，其位于所述隔离电路和放大电路之间，所述滤波电路包括由电阻和电容组成的电路，并且配置用于将所述隔离电路输出的模拟电压信号进行滤除噪声的操作。

10.一种将电压信号转换为频率信号的电路设备，包括：

根据权利要求1～9中任意一项所述的电路装置；以及

控制单元，其配置用于接收并处理所述电路装置输出的频率信号，以便将输入所述电路装置的电压信号的电压值转换为所述电路装置输出的频率信号的频率值。

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