CN112595887A - 一种高电压数字量采集电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种高电压数字量采集电路，包括与输入端相连的分压电路和隔离电路，所述隔离电路通过数字信号输出至单片机系统，其特征在于，在所述分压电路和隔离电路之间设置有施密特触发器芯片U1A。此方案的技术优势在于，引入施密特触发器的滞回特性，避免电压波动产生的输出跃变。本发明在隔离电路前端引入了施密特触发器芯片：由于施密特触发器芯片输出为确定电平(0V或5V)，使得通过光耦的电流始终为理想的导通电流，进而使得输入单片机系统的电压稳定可靠。

Description

一种高电压数字量采集电路及其工作方法

技术领域

本发明公开一种高电压数字量采集电路及其工作方法，属于信号采集电路的技术领域。

背景技术

数字量采集电路是将开关信号转换为单片机、DSP、FPGA等系统可以识别的TTL信号的一种信号转换电路。此类电路的缺点在于，抗干扰能力差、电路热损耗较高。

为了降低上述技术缺点对采集电路的影响，现有技术存在多种解决方案，例如：

中国专利CN106253903B公开一种数字量采集电路，包括：信号输入端、分压电路和信号输出端；分压电路包括第一电阻、第一二极管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、三极管和光电隔离电路；信号输入端分别与第一电阻的第一端和第二电阻的第一端连接，第一电阻的第二端分别与三极管的基极、第一二极管的正极连接，第一二极管的负极接地；第二电阻的第二端分别与第三电阻的第一端和三极管的集电极连接，第三电阻的第二端通过光电隔离电路与第四电阻的第一端连接，三极管的发射极与第四电阻的第一端连接，第四电阻的第二端接地，光电隔离电路的输出端与信号输出端连接。此方案主要解决的是：当输入端存在干扰信号时，干扰信号同样会使光耦IC1导通，从而使得输出端也会输出低电平信号，进而给处理器造成错误的控制电平。因此，上述数字量采集电路的抗干扰性较低，控制精度不高。

中国专利CN202931282U公开了一种配电网终端的通用遥信采集模块，它包括一号限流电阻，一号限流电阻的A端连接遥信输入信号，一号限流电阻的B端与分压稳压管的负极相连；分压稳压管的正极与交流滤波电容的A端、保护二极管的负极、二号限流电阻以及光耦的4脚分别相连；光耦的3脚分别与交流滤波电容的B端、保护二极管正极、二号限流电阻的B端相连，并连接到遥信电源的负极性端上；光耦的2脚与数字地相连；光耦的1脚与上拉电阻的A端、施密特触发器的1脚相连；上拉电阻的B端与正电源相连；施密特触发器的2脚与CPU的遥信输入口相连。

中国专利CN205247154U公开了一种PLC交流数字量输入模块，包括供电单元、交流数字量信号输入处理单元、MCU单元；供电单元为整个模块硬件单元以及MCU单元提供工作电源；交流数字量信号输入处理单元采集工业现场交流数字量信号，并将采集的信号进行处理、隔离；MCU用于接收经过所述数字量信号输入处理单元处理、隔离的信号，并将该信号通过总线上传给上位机。该专利文献有益效果是：输出电平信号稳定，能满足不同工业现场对于交流输入信号阀值电压要求不同的需求。

中国专利CN104518782A公开一种光电隔离器，包括光耦、稳压二极管、电压跟随单元、电压输入端、电压输出端，其中，所述稳压二极管的正极接地，且还通过串联的第一电阻和第二电阻连接至所述电压输入端，负极连接至所述光耦的阴极，还通过串联的第三电阻和电容连接至所述第一电阻和第二电阻的连接点，所述光耦的阳极通过第四电阻连接至所述电压输入端，发射极接地，集电极连接所述电压跟随单元的输入端，所述电压跟随单元的输出端连接至所述电压输出端。本专利可使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，还可以通过反馈调节输出电压，达到稳压目的。

虽然上述专利文献也具有提高系统抗干扰的能力，但整个电路并不能实现在输入电压变化时具备一定的滞回特性。同时，上述电路都普遍存在电路热损耗较大的技术问题，怎样通过减小输入电流以减小系统功率消耗成为高电压数字量采集电路所要解决的技术问题。

除此之外，传统的数字量采集电路(如附图1)多适用于低电压输入场景，然而在高电压(如110V或220V)下时，会存在功率过高的技术问题。当传统的数字量采集电路在输入电压变化时，IC1工作状态也存在较大的不确定区域。传统电路光耦输入电流随输入电压上升而缓慢上升，随输入电压下降而缓慢下降，无明显的截止电压，也没有滞回特性。当输入电压在临界值时很容易受到干扰引起后级电路误动作。这种缺陷在温度变化时将被明显放大。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明公开一种高电压数字量采集电路。

本发明还公开上述高电压数字量采集电路的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种高电压数字量采集电路，包括与输入端相连的分压电路和隔离电路，所述隔离电路通过数字信号输出至单片机系统，其特征在于，在所述分压电路和隔离电路之间设置有施密特触发器芯片U1A。此方案的技术优势在于，引入施密特触发器的滞回特性，避免电压波动产生的输出跃变。

根据本发明优选的，所述隔离电路为光耦U2，所述光耦U2通过数字信号输出至单片机系统，在所述施密特触发器芯片U1A输出信号经限流电阻R3驱动光耦U2；光耦U2输出端设置有电阻R4，用于拉低数字信号输出至单片机系统。

根据本发明优选的，所述隔离电路为数字隔离器芯片。优选的，所述数字隔离器芯片的型号为ISO7320C。

一种高电压数字量采集电路，包括与输入端相连的分压电路和带有施密特输入特性的数字隔离器芯片，通过数字信号输出至单片机系统。优选的，所述数字隔离器芯片的型号为ADuM1400。

根据本发明优选的，所述分压电路包括二极管D1、稳压二极管D2、稳压二极管D3、分压电阻R1、分压电阻R2和滤波电容C1；

沿输入端依次串联二极管D1、分压电阻R1和稳压二极管D2至施密特触发器芯片U1A的输入端；在施密特触发器芯片U1A的输入端和接地之间并联有分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1；

分压电阻R2分得电压输入至施密特触发器芯片U1A；稳压二极管D3将输入施密特触发器芯片U1A的电压限制在安全电压以下，以防止输入过高损坏U1A芯片；滤波电容C1用于滤除高频干扰信号；二极管D1将输入信号限制为正电压，负电压将对电路不起作用；稳压二极管D2将电路的低输入阈值提高到指定数值，如设定稳压二极管D2为56V稳压二极管，低于56V的输入电压对电路不起作用。该技术方案通过调整分压电阻R1、稳压二极管D2的数值，用于实现电路输入阈值及输入电流的调整，以达到适应不同输入电压的应用。

根据本发明优选的，在输入端和分压电路之间还设置有滤波保护电路，包括并联设置的压敏电阻RV1和滤波电容C2。此技术设计的优点在于：压敏电阻可以在浪涌现象发生时将输入端电压限制在安全电压以下。滤波电容可以在脉冲群现象发生时滤除输入端的高频脉冲，避免高频信号影响后级电路。

根据本发明优选的，所述分压电路包括稳压二极管D2、二极管D1、分压电阻R1、分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1；

沿输入端依次串联稳压二极管D2、二极管D1和分压电阻R1至施密特触发器芯片U1A的输入端；在施密特触发器芯片U1A的输入端和接地之间并联有分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1。

根据本发明优选的，所述高电压数字量采集电路还包括额外的防护元件、滤波元件。如在输入端并联压敏电阻、并联滤波电容、串联滤波电感或磁珠等。

根据本发明优选的，所述分压电路中的各元件顺序可以被调整。

一种高电压数字量采集电路的工作方法，其特征在于，包括：

与输入端相连的分压电路、施密特触发器芯片U1A和隔离电路；施密特触发器芯片U1A输出引脚经串联限流电阻后连接光耦发光二极管阴极，光耦发光二极管阳极接5V电源、光耦输出端发射极接单片机系统地、集电极接单片机系统输入引脚并经上拉电阻上拉至单片机系统电源。

本发明的技术优势在于：

1、本发明在隔离电路前端引入了施密特触发器芯片：由于施密特触发器芯片输出为确定电平(0V或5V)，使得通过光耦的电流始终为理想的导通电流，进而使得输入单片机系统的电压稳定可靠。

2、传统电路的输入电流要直接驱动光耦，而光耦稳定工作的电流至少3mA，考虑到温度变化和输入电压的变化实际应用中大多调整到5～10mA。本发明相比传统电路，输入端的电流不直接驱动光耦，而是输入施密特触发器芯片，而施密特触发器芯片输入端消耗的电流非常小(数uA)，所以可以调整输入端工作电流到1mA以下，使整体功耗大幅降低。

附图说明

图1是传统数字量采集电路的电路示意图；

图2是本发明实施例1、应用例1.1和应用例1.2的电路示意图；

图3是本发明实施例2的电路示意图；

图4是本发明实施例3的电路示意图；

图5是本发明实施例4的电路示意图；

图6是本发明实施例5的电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图2所示。

一种高电压数字量采集电路，包括与输入端相连的分压电路和隔离电路，所述隔离电路通过数字信号输出至单片机系统，在所述分压电路和隔离电路之间设置有施密特触发器芯片U1A。

所述隔离电路为光耦U2，所述光耦U2通过数字信号输出至单片机系统，在所述施密特触发器芯片U1A输出信号经限流电阻R3驱动光耦U2；光耦U2输出端设置有电阻R4，用于拉低数字信号输出至单片机系统。

所述分压电路包括二极管D1、稳压二极管D2、稳压二极管D3、分压电阻R1、分压电阻R2和滤波电容C1；

沿输入端依次串联二极管D1、分压电阻R1和稳压二极管D2至施密特触发器芯片U1A的输入端；在施密特触发器芯片U1A的输入端和接地之间并联有分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1；

分压电阻R2分得电压输入至施密特触发器芯片U1A；稳压二极管D3将输入施密特触发器芯片U1A的电压限制在安全电压以下，以防止输入过高损坏U1A芯片；滤波电容C1用于滤除高频干扰信号；二极管D1将输入信号限制为正电压，负电压将对电路不起作用；稳压二极管D2将电路的低输入阈值提高到指定数值，如设定稳压二极管D2为56V稳压二极管，低于56V的输入电压对电路不起作用。该技术方案通过调整分压电阻R1、稳压二极管D2的数值，用于实现电路输入阈值及输入电流的调整，以达到适应不同输入电压的应用。

应用例1.1.

结合实施例1所述的电路及如图2所示。

分别对传统电路和本发明电路适配24V工作电压。

适配传统电路中各元件取值如下：

如图1，R1＝4.7kΩ；R2＝10kΩ；D1型号1N4007；IC1的型号是TLP521；R3＝4.7kΩ。

测试结果如下：

输入电流Iin＝4.869mA；输入电路功耗P＝0.117W；

输入电压阈值VIH＝5.517V，VIL＝2.314V，当输入电压介于2.314V-5.517时输出电压介于0.3V-3.0V，此时单片机系统不能有效检测。

适配本发明电路各元件取值如下：

D1型号1N4007；R1＝4.7kΩ；D2型号1N5238B；R2＝10kΩ；C1＝1nF；D3型号1N5234B；U1A型号74LS14N；R3＝1kΩ；U2型号TLP521；R4＝4.7kΩ。

测试结果如下：

输入电流Iin＝1.848mA；输入电路功耗P＝0.044W

输入电压阈值VIH＝12.272V，VIL＝11.030V，。当输入电压高于VIH时，输出电压始终低于0.1V；当输入电压低于VIL时，输出电压始终等于3.3V；当输入电压介于VIL-VIH时，施密特触发器处于滞回区间，输出电压维持不变。

应用例1.2.

结合实施例1所述的电路及如图2所示。

分别对传统电路和本发明电路适配220V工作电压。

适配传统电路中各元件取值如下：

如图1，R1＝62kΩ；R2＝10kΩ；D1型号1N4007；IC1型号TLP521；R3＝4.7kΩ。

测试结果如下：

输入电流Iin＝3.531mA；输入电路功耗P＝0.777W

输入电压阈值VIH＝60.375V，VIL＝19.073V，当输入电压介于19.073V-60.375时输出电压介于0.3V-3.0V，此时单片机系统不能有效检测。

适配本发明电路各元件取值如下：

D1型号1N4007；R1＝220kΩ；D2型号1N4758A；R2＝20kΩ；C1＝1nF；D3型号1N5234B；U1A型号74LS14N；R3＝1kΩ；U2型号TLP521；R4＝4.7kΩ。

测试结果如下：

输入电流Iin＝0.716mA；输入电路功耗P＝0.158W

输入电压阈值VIH＝82.954V，VIL＝72.944V，。当输入电压高于VIH时，输出电压始终低于0.1V；当输入电压低于VIL时，输出电压始终等于3.3V；当输入电压介于VIL-VIH时，施密特触发器处于滞回区间，输出电压维持不变。

对比传统方案：传统方案要输入电流直接驱动光耦，而通常线性光耦输入电流至少需要3～5mA才能稳定工作，其输出才能满足单片机的要求。在220V时，3～5mA电流可能使功率消耗高达0.66W～1.1W。将有明显的发热和温升。本发明所述实施例1的电路不需要输入电流直接驱动光耦，所以允许输入电流低至1mA以下，电路功率远低于传统电路。

实施例2、

如实施例1所述的电路并结合图3所示。

在输入端和分压电路之间还设置有滤波保护电路，包括并联设置的压敏电阻RV1和滤波电容C2。此技术设计的优点在于：压敏电阻可以在浪涌现象发生时将输入端电压限制在安全电压以下。滤波电容可以在脉冲群现象发生时滤除输入端的高频脉冲，避免高频信号影响后级电路。

实施例3、

如实施例1所述的保护电路并结合图4所示。

所述分压电路包括稳压二极管D2、二极管D1、分压电阻R1、分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1；

沿输入端依次串联稳压二极管D2、二极管D1和分压电阻R1至施密特触发器芯片U1A的输入端；在施密特触发器芯片U1A的输入端和接地之间并联有分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1。

实施例4、

如实施例3所述电路并结合图5所示。所述隔离电路为数字隔离器芯片，所述数字隔离器芯片的型号为ISO7320C。

实施例5、

如图6所示，一种高电压数字量采集电路，包括与输入端相连的分压电路和带有施密特输入特性的数字隔离器芯片，通过数字信号输出至单片机系统。所述数字隔离器芯片的型号为ADuM1400。

实施例6、

一种高电压数字量采集电路的工作方法，包括：

与输入端相连的分压电路、施密特触发器芯片U1A和隔离电路；施密特触发器芯片U1A输出引脚经串联限流电阻后连接光耦发光二极管阴极，光耦发光二极管阳极接5V电源、光耦输出端发射极接单片机系统地、集电极接单片机系统输入引脚并经上拉电阻上拉至单片机系统电源。

Claims (10)

1.一种高电压数字量采集电路，包括与输入端相连的分压电路和隔离电路，所述隔离电路通过数字信号输出至单片机系统，其特征在于，在所述分压电路和隔离电路之间设置有施密特触发器芯片U1A。

2.根据权利要求1所述的一种高电压数字量采集电路，其特征在于，所述隔离电路为光耦U2，所述光耦U2通过数字信号输出至单片机系统，在所述施密特触发器芯片U1A输出信号经限流电阻R3驱动光耦U2；光耦U2输出端设置有电阻R4，用于拉低数字信号输出至单片机系统。

3.根据权利要求1所述的一种高电压数字量采集电路，其特征在于，所述隔离电路为数字隔离器芯片。

4.根据权利要求1所述的一种高电压数字量采集电路，其特征在于，所述分压电路包括二极管D1、稳压二极管D2、稳压二极管D3、分压电阻R1、分压电阻R2和滤波电容C1；

沿输入端依次串联二极管D1、分压电阻R1和稳压二极管D2至施密特触发器芯片U1A的输入端；在施密特触发器芯片U1A的输入端和接地之间并联有分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1；

分压电阻R2分得电压输入至施密特触发器芯片U1A；稳压二极管D3将输入施密特触发器芯片U1A的电压限制在安全电压以下，以防止输入过高损坏U1A芯片；滤波电容C1用于滤除高频干扰信号；二极管D1将输入信号限制为正电压；稳压二极管D2将电路的低输入阈值提高到指定数值。

5.根据权利要求4所述的一种高电压数字量采集电路，其特征在于，在输入端和分压电路之间还设置有滤波保护电路，包括并联设置的压敏电阻RV1和滤波电容C2。

6.根据权利要求1所述的一种高电压数字量采集电路，其特征在于，所述分压电路包括稳压二极管D2、二极管D1、分压电阻R1、分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1；

沿输入端依次串联稳压二极管D2、二极管D1和分压电阻R1至施密特触发器芯片U1A的输入端；在施密特触发器芯片U1A的输入端和接地之间并联有分压电阻R2、稳压二极管D3和滤波电容C1。

7.根据权利要求1所述的一种高电压数字量采集电路，其特征在于，所述高电压数字量采集电路还包括额外的防护元件、滤波元件。

8.根据权利要求4或6所述的一种高电压数字量采集电路，其特征在于，所述分压电路中的各元件顺序可以被调整。

9.一种高电压数字量采集电路，其特征在于，一种高电压数字量采集电路，包括与输入端相连的分压电路和带有施密特输入特性的数字隔离器芯片，通过数字信号输出至单片机系统。

10.一种高电压数字量采集电路的工作方法，其特征在于，包括：

与输入端相连的分压电路、施密特触发器芯片U1A和隔离电路；施密特触发器芯片U1A输出引脚经串联限流电阻后连接光耦发光二极管阴极，光耦发光二极管阳极接5V电源、光耦输出端发射极接单片机系统地、集电极接单片机系统输入引脚并经上拉电阻上拉至单片机系统电源。

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