CN203786501U - 一种二进制输入电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种二进制输入电路，包括阈值选择电路，所述阈值选择电路包括：比较器，用于将输入到所述阈值选择电路的电压与一参考电压相比较，以根据比较结果提供高电位或低电位的输出；参考电压生成电路，用于向所述比较器提供所述参考电压。本实用新型提供的二进制输入电路中，无需跳线，结构简单，可靠性高。

Description

一种二进制输入电路

技术领域

本实用新型涉及一种参考电压生成电路，尤其涉及一种用于二进制输入电路的参考电压生成电路。 

背景技术

二进制输入电路（binary input circuit）是一种常用的电子电路，被广泛地用于保护和监视装置中，诸如保护继电器、配电自动化的远程终端单元、功率监视装置等。这些装置中的二进制输入电路通常用于获得电路断路器、开关等的状态，还通常用于获得开关的位置信息、开关压力信号、通讯状态、保护操作信号、终端异常信号、开关能量储存等。 

图1示出一种典型的二进制输入电路10。如图1所示，二进制输入电路10的功能是将提供给该二进制输入电路10的输入电压V转化成处理器可识别的相应电平信号（高电平或低电平），并将该电平信号输送给处理器14。例如，当提供给二进制输入电路的输入电压V为24伏时，二进制输入电路10会向处理器14输出高电平，而当提供给二进制输入电路的输入电压V为0伏时，二进制输入电路会向处理器输出低电平。 

如图1所示，二进制输入电路10通常包括保护电路11、阈值选择电路12和隔离电路13。其中，保护电路11用于保护二进制输入电路不会受到过电流或过电压的伤害。阈值选择电路12用于选择与提供给该二进制输入电路的输入电压V的电压范围相适应的阈值，并用于根据该输入电压V的大小而相应输出高电平或低电平。隔离电路13用于使该输入电压V与处理器电隔离。 

图2示出了二进制输入电路的一个具体的示例性电路图。其中，保护电路11例如包括整流、滤波和稳压电路。在图2中，保护电路11由压敏电阻RV1，二极管D101、D103、D104，电容器C101以及电阻器R101、R102、R103、R104构成。图2中的阈值选择电路12利用跳线来选择不同的阈值。具体地，阈值选择电路12由跳线X1，二极管D105、D106，电阻器R105、R106、R107，电容器C102以及高压低输出电流的三端可调线性稳压器U101构成。隔离电路13中，通过光耦U102使输入电压V与处理器14电隔离。 

如图1所示的二进制输入电路10通常可由电网或电池供电。由于存在例如110V和220V（包括240V）两种常用的电网供电系统，而电池的电压也存在例如24V和28V两种，因此 二进制输入电路通常被设计为能够兼容两种甚至两种以上的输入电压范围，这种兼容通常是通过对阈值选择电路的设计来实现的。图3示出了能够提供上述兼容性的二进制输入电路的一个具体的示例性电路图。 

图3所示出的是一种目前常用的跳线式阈值选择电路，其通过将跳线设置成不同的位置而使二进制输入电路适用于不同的输入电压系统。如图3所示，当需要二进制输入电路适用于110V的输入电压时，将跳线X1的位置a和位置b连接，从而使齐纳二极管D105短路，只有齐纳二极管D106工作。当需要二进制输入电路适用于更高的220V电源时，将跳线X1的位置b和位置c连接，从而使齐纳二极管D105和D106共同串联在电路中。相比于单只齐纳二极管D106导通的情况，齐纳二极管D105和D106共同串联在电路中时其两端的压降更大，因此能够使该阈值选择电路工作在更高的电压下，如220V。 

但是在高湿度、高温度的环境中，跳线在长期使用后容易被腐蚀，导致二进制输入电路非正常工作。另外跳线为插入式（THT）封装，跳线引脚需要安装在过孔中，这意味着电路使用跳线的二进制输入电路无法双面安装，这极大地增大了布局尺寸并对电路设计造成了极大的限制。 

实用新型内容

本实用新型提供了一种二进制输入电路，包括阈值选择电路，所述阈值选择电路包括：比较器，用于将输入到所述阈值选择电路的电压与一参考电压相比较，以根据比较结果提供高电位或低电位的输出；参考电压生成电路，用于向所述比较器提供所述参考电压。本实用新型提供的二进制输入电路中，无需跳线，结构简单，可靠性高。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，包括阈值选择电路，其特征在于，所述阈值选择电路包括：参考电压生成电路，用于响应于一个控制信号而提供一个与所述二进制输入电路的输入电压的范围相适应的一参考电压；比较器，用于将输入到所述阈值选择电路的电压与所述参考电压生产电路生成的所述参考电压相比较，以根据比较结果提供高电位或低电位的输出。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，其特征在于，所述参考电压生成电路包括串联在电源端和地之间的第一压降元件、第二压降元件、第三压降元件，以及与所述第二压降元件并联的电隔离受控开关元件，所述电隔离受控开关元件的受控端耦合到所述控制信号，所述电隔离受控开关元件能够响应于所述控制信号而旁路所述第二压降元件，所述第二压降元件的两端中的一个输出参考电压。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，所述第一、第二和第三压降元件中任一为电阻或稳压管。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，所述参考电压生成电路包括低通滤波器、具有输入侧和输出侧的电隔离元件和脉宽可调信号发生器，其中所述脉宽可调信号发生器向所述电隔离元件的输入侧提供脉宽可调信号，电隔离元件的输出侧将所述脉宽可调信号提供给所述低通滤波器，所述低通滤波器对所述脉宽可调信号进行低通滤波后输出参考电压。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，所述参考电压为直流电压。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，所述滤波器为RC低通滤波器。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，所述电隔离元件为光耦。 

根据本实用新型提供的二进制输入电路，所述阈值选择电路包括分压器，用于接收输入到所述阈值选择电路中的电压，并向所述比较器输出电压。 

本实用新型提供的二进制输入电路中，无需跳线，可应用于高湿度、高温度的环境中，结构简单，可靠性高，且成本低。 

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中， 

图1示出了典型的二进制输入电路的结构； 

图2示出了二进制输入电路的一个具体的示例性电路图； 

图3示出了一种现有技术中的跳线式阈值选择电路； 

图4示出了根据本实用新型的实施例1的阈值选择电路； 

图5示出了根据本实用新型的又一个实施例的参考电压生成电路； 

图6示出了根据本实用新型的实施例2的参考电压生成电路。 

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。 

实施例1 

本实施例提供一种二进制输入电路，包括保护电路、阈值选择电路和隔离电路。其中保护电路用于接收提供给该二进制输入电路的输入电压，并将该输入电压提供给阈值选择电路，同时保护该二进制输入电路不会受到过电流或过电压的伤害。阈值选择电路用于选择与提供 给该二进制输入电路的输入电压的电压范围相适应的阈值，并用于根据该输入电压的大小而相应输出高电平或低电平。隔离电路用于使该输入电压与处理器电隔离。 

其中阈值选择电路的电路结构如图4所示，包括如下电路部件： 

由电阻R11和R14构成的分压器，用于接收经过了保护电路的输入电压，并输出电阻R11和R14之间的节点J处的电压。 

比较器U，具有正输入端7、负输入端6和输出端11。其中负输入端6用于接收电阻R11和R14之间的节点J处的电压，正输入端7用于接收参考电压Vref，该比较器U根据正输入端7和负输入端6的电压的比较结果在输出端11输出高电平或低电平。另外负输入端6与分压器之间具有由电阻器13和电容器C3构成的低通滤波器，其用于限制流向比较器U的电流。节点J与隔离地ISOGND之间具有稳压管D3，以防止输出到比较器的负输入端6的电压过大。 

参考电压生成电路，用于向正输入端7提供参考电压Vref。该参考电压生成电路包括电阻R1、R2、R3、R4，光耦P和开关S。其中光耦P的发光侧端子1和2分别连接到电源Vcc和开关S，光耦P的接收侧的集电极4和发射极3与电阻R3并联后，串联在电阻R1和R4之间。光耦P的集电极4还连接到比较器的正输入端7，用于向正输入端7提供参考电压Vref。 

通过控制参考电压生成电路中的开关S的打开和关闭，即可生成不同的参考电压Vref，从而使得该二进制输入电路可适用于不同的输入电压范围。 

当开关S导通时，光耦P的发光侧导通并发光，导致接收侧的集电极4和发射极3之间导通，这时电阻R3被短路，集电极4提供的参考电压Vref为： 

$\mathrm{Vref}=V_{\mathrm{iso}2}\×\frac{R4}{R1+R4}$

当开关S关断时，光耦P的发光侧不发光，导致接收侧的集电极4和发射极3之间关断，这时电阻R3被串联在R1和R4之间，这时集电极4提供的参考电压Vref为： 

$\mathrm{Vref}=V_{\mathrm{iso}2}\×\frac{R3+R4}{R1+R3+R4}$

在实际应用中，在某些情况下为二进制输入电路提供输入电压的电源可能输出略低于其额定电压值的电压，例如输入100V或200V的电压，这时希望二进制输入电路能够像在额定电压值的作用下一样输出高电平信号，即在额定电压值的一定比例以上均输出高电平信号，这个比例可称之为拾取电压阈值，例如在中国，该拾取电压阈值通常在55%至70%之间。因此电阻R1、R3、R4、R11和R14之间需要满足下列的关系。 

$\mathrm{Vn}1\×\frac{R11}{R11+R14}\×x_2\%>V_{\mathrm{iso}2}\×\frac{R4}{R1+R4}\≥\mathrm{Vn}1\×\frac{R11}{R11+R14}\×x_1\%$

$\mathrm{Vn}2\×\frac{R11}{R11+R14}\×x_2\%>V_{\mathrm{iso}2}\×\frac{R3+R4}{R1+R3+R4}\≥\mathrm{Vn}2\×\frac{R11}{R11+R14}\×x_1\%$

其中Vn1和Vn2为输入到二进制输入电路的电源的两种额定电压值（例如110V和220V），x1%～x2%为拾取电压阈值的范围。 

上文中通过一个具体的示例性电路描述了根据本实用新型的参考电压生成电路，所描述的电路的拓扑结构并非限制性的，例如也可以利用光耦P的发射极3向正输入端7提供参考电压Vref。在这种情况下，当开关S导通时，电阻R3被短路，发射极3提供的参考电压Vref为： 

$\mathrm{Vref}=V_{\mathrm{iso}2}\×\frac{R4}{R1+R4}$

当开关S关断时，这时电阻R3被串联在R1和R4之间，这时发射极3提供的参考电压Vref为： 

$\mathrm{Vref}=V_{\mathrm{iso}2}\×\frac{R4}{R1+R3+R4}$

另外上述实施例中所采用的电子元器件并非限制性的。例如电阻R3和R4还可以为其它能够产生稳定压降的电子元器件，例如稳压管。图5示出了一种采用稳压管D1和D2作为压降元件的方案。其中稳压管D1和D2分别替换电阻R2和R4，同样可以实现本实用新型的目的。 

上述实施例提供了一种二进制输入电路，其阈值选择电路中的参考电压生成电路中，利用隔离性良好的光耦与一个压降元件并联后，再串联到其它两个压降元件之间。通过一个开关控制光耦的导通和关断，从而在光耦的两个端子中的其中一个上输出不同的参考电压。无需跳线，可应用于高湿度、高温度的环境中，结构简单，可靠性高，且成本低。 

实施例2 

本实施例提供一种二进制输入电路，其与实施例1中提供的二进制输入电路的不同之处在于参考电压生成电路的结构不同。本实施例提供的参考电压生成电路如图6所示，包括光耦P、RC低通滤波器F和脉宽可调信号发生器PWM。该RC低通滤波器F由电阻器R112、R113、R114、R115、R116以及电容器C233、C232构成。脉宽可调信号发生器PWM向光耦P的发光侧提供脉宽可调信号，光耦P的接收侧将该脉宽可调信号提供给低通滤波器F，该脉宽可调信号经过低通滤波器F的低通滤波后得到稳定的直流电压信号，该直流电压信号被作 为参考电压Vref提供给比较器。 

本实施例中，通过低通滤波电路对脉宽可调信号的滤波而得到了稳定的参考电压Vref。当脉宽可调信号的脉宽发生变化时，对其滤波后得到的参考电压Vref的电压值会相应地发生变化。因此，通过改变脉宽可调信号的脉宽即可生成不同的参考电压Vref，从而使得二进制输入电路可适用于不同的输入电压范围。 

本实施例中的滤波器并不限于图6中所示的拓扑结构，也可以采用其它的低通滤波器对脉宽可调信号进行低通滤波而得到稳定的参考电压Vref。 

上述各个实施例中提供的二进制输入电路中，通过采用光耦P，使控制端（例如开关S和脉宽可调信号发生器一端）与提供给二进制输入电路的输入电压相隔离，可有效地保护在控制端进行操作的人员的人身安全。根据本实用新型的其它实施例，也可以采用光耦以外的电隔离装置。 

上述各个实施例中，均以高电平信号作为有效信号而进行描述的，即当输入到二进制输入电路的电压为0时，二进制输入电路输出低电平信号，即无效信号。在根据本实用新型的其它实施例中，也可以通过对电路的设计而使得低电平信号为有效信号，而高电平信号为无效信号，这一点对本领域技术人员而言是显而易见的。 

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。 

附图标记列表 

二进制输入电路10；保护电路11；阈值选择电路12；隔离电路13；处理器14；跳线X1；齐纳二极管D105、D106；比较器U；节点J；正输入端7；负输入端6；电容器C3、C4、C233、C232；隔离地ISOGND；稳压管D1、D2、D3；参考电压Vref；发光侧端子1、2；开关S；光耦P；集电极4；发射极3；电阻R1、R2、R3、R4、R11、R13、R14、R111、R112、R113、R114、R115、R116；脉宽可调信号发生器PWM；低通滤波器F。 

Claims (8)

1.一种二进制输入电路，包括阈值选择电路，其特征在于； 

所述阈值选择电路包括： 

参考电压生成电路，用于响应于一个控制信号（S）而提供一个与所述二进制输入电路的输入电压（V）的范围相适应的一参考电压（Vref）； 

比较器（U），用于将输入到所述阈值选择电路的电压与所述参考电压生产电路生成的所述参考电压（Vref）相比较，以根据比较结果提供高电位或低电位的输出。 

2.根据权利要求1所述的二进制输入电路，其特征在于，所述参考电压生成电路包括串联在电源端和地之间的第一压降元件（R1）、第二压降元件（R3）、第三压降元件（R4），以及与所述第二压降元件（R3）并联的电隔离受控开关元件（P），所述电隔离受控开关元件（P）的受控端耦合到所述控制信号（S），所述电隔离受控开关元件（P）能够响应于所述控制信号（S）而旁路所述第二压降元件（R3），所述第二压降元件的两端中的一个输出参考电压。 

3.根据权利要求2所述的二进制输入电路，其特征在于，所述第一、第二和第三压降元件中任一为电阻或稳压管。 

4.根据权利要求1所述的二进制输入电路，其特征在于，所述参考电压生成电路包括低通滤波器、具有输入侧和输出侧的电隔离受控开关元件和脉宽可调信号发生器，其中所述脉宽可调信号发生器向所述电隔离受控开关元件的输入侧提供脉宽可调信号，电隔离受控开关元件的输出侧将所述脉宽可调信号提供给所述低通滤波器，所述低通滤波器对所述脉宽可调信号进行低通滤波后输出参考电压。 

5.根据权利要求4所述的二进制输入电路，其特征在于，所述参考电压为直流电压。 

6.根据权利要求4所述的二进制输入电路，其特征在于，所述滤波器为RC低通滤波器。 

7.根据权利要求2或4所述的二进制输入电路，其特征在于，所述电隔离受控开关元件为光耦。 

8.根据权利要求2或4所述的二进制输入电路，其特征在于，所述阈值选择电路包括分压器，用于接收输入到所述阈值选择电路中的电压，并向所述比较器输出电压。