CN204669330U

CN204669330U - 通用型开关量输入信号的采集电路

Info

Publication number: CN204669330U
Application number: CN201520371968.5U
Authority: CN
Inventors: 李书维; 张流
Original assignee: No 8357 Research Institute of Third Academy of CASIC
Current assignee: No 8357 Research Institute of Third Academy of CASIC
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2025-06-02

Abstract

本实用新型涉及一种通用型开关量输入信号的采集电路，属于信号采集技术领域。本实用新型通过两只类型不用的三极管分别检测输入开关量电平信号的性质(高电平或低电平)，并且将两只三极管串联在光电耦合器的控制回路中，当检测到任何一种类型的开关量信号输入时，总有一只三极管处于截止状态，使光电耦合器的控制回路断开，只有当没有开关量信号输入时，两只三极管才能同时导通，使光电耦合器的控制回路接通。如此完成对开关量信号的通用化采集，能够完成对开关量信号有(高电平或低电平)和无(悬空状态)的区分。

Description

通用型开关量输入信号的采集电路

技术领域

本实用新型涉及信号采集技术领域，具体涉及一种通用型开关量输入信号的采集电路。

背景技术

开关量型信号在工业控制领域有着较为广泛的应用，各种机械设备的到位信号均要转换成开关量电信号，供计算机进行采集。开关量信号在转换过程中，一般具有两种电压状态：与状态电源正极电压相同的高电平信号和与状态电源负极电压相同的低电平信号。开关量信号在采集过程中，为了保证信号采集的可靠性和电气上的安全性，大多需要与处理器电路进行电气上的隔离，因此开关量信号的采集大多需要使用光电耦合器完成电气上的隔离。

鉴于需要进行采集的开关量具有高电平和低电平两种信号，目前常用的开关量采集方法具有两种：一种专门用于采集高电平信号，其原理示意图如图1所示；一种专门用于采集低电平信号，其原理示意图如图2所示。

采集高电平的电路中，当有高电平开关量输入时，光电耦合器的发光二极管端导通，进而使输出端的晶体管接通，输出逻辑状态“低”；当有低电平状态或没有电平信号输入时，光电耦合器的发光二极管端截止，进而使输出端的晶体管断开，输出逻辑状态“高”。输出的逻辑电平可以供计算机系统进行采集判断。

采集低电平的电路中，当有低电平开关量输入时，光电耦合器的发光二极管端导通，进而使输出端的晶体管接通，输出逻辑状态“低”；当有高电平状态或没有电平信号输入时，光电耦合器的发光二极管端截止，进而使输出端的晶体管断开，输出逻辑状态“高”。输出的逻辑电平可以供计算机系统进行采集判断。

采用图1中的方法对高电平信号开关量进行采集时，由于电路在原理上只能确认高电平信号是否输入，对于低电平信号和悬空信号(没有电平输入)不能进行区分，无法对低电平信号进行采集；采用图2中的方法对开关量进行采集时，由于电路在原理上只能确认低电平信号是否输入，对于高电平信号和悬空信号(没有电平输入)不能进行区分，无法对高电平信号进行采集。

综上所述，目前在对开关量采集电路进行设计时，需要明确开关量输入信号的电平类型，以便确认需要采用的电路类型。当开关量输入信号需要调整时，相应的电路也需要更改。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是：如何设计一种通用型开关量输入信号的采集电路，既能够完成既对高电平信号采集又对低电平信号采集，还能够完成对开关量信号有(高电平或低电平)和无(悬空状态)的区分。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种通用型开关量输入信号的采集电路，包括光电耦合器B1、三极管V1、V2，以及电阻R1、R2、R3、R4；其中，

光电耦合器B1用于完成开关量输入信号Vin的电气隔离；电阻R4作为光电耦合器B1的上拉电阻，用于实现电气隔离后输出端Vout的逻辑电平输出；电阻R3为光电耦合器B1输入端的限流电阻；三极管V1、V2用于完成光电耦合器B1输入端回路的供电控制，三极管V1与三极管V2类型不同；电阻R1为三极管V1基极回路的限流电阻，电阻R2为三极管V2基极回路的限流电阻；光电耦合器B1输入端的电源正极电平IVcc与三极管V1的发射极连接，与开关量输入信号Vin的高电平相同；光电耦合器B1输入端的电源负极电平IGND与三极管V2的发射极连接，与开关量输入信号Vin的低电平相同；开关量输入信号Vin具有高电平、低电平和悬空三种状态。

优选地，开关量输入信号Vin与电阻R1、R2的一端分别连接，电阻R1的另一端连接三极管V1的基极，电阻R2的另一端连接三极管V2的基极，三极管V1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接光电耦合器B1中发光二极管的正极，三极管V2的集电极连接光电耦合器B1中发光二极管的负极，电阻R4的一端连接电源Vcc，另一端连接所述输出端Vout。

优选地，三极管V1为PNP型，三极管V2为NPN型。

(三)有益效果

本实用新型通过两只类型不用的三极管分别检测输入开关量电平信号的性质(高电平或低电平)，并且将两只三极管串联在光电耦合器的控制回路中，当检测到任何一种类型的开关量信号输入时，总有一只三极管处于截止状态，使光电耦合器的控制回路断开，只有当没有开关量信号输入时，两只三极管才能同时导通，使光电耦合器的控制回路接通。如此完成对开关量信号的通用化采集，能够完成对开关量信号有(高电平或低电平)和无(悬空状态)的区分。

附图说明

图1为现有技术中的高电平开关量输入信号采集原理图；

图2为现有技术中的低电平开关量输入信号采集原理图；

图3为本实用新型的通用型开关量输入信号采集原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

如图3所示，本实用新型提供了一种通用型开关量输入信号的采集电路，包括光电耦合器B1、三极管V1、V2，以及电阻R1、R2、R3、R4；其中，

光电耦合器B1用于完成开关量输入信号Vin的电气隔离；电阻R4作为光电耦合器B1的上拉电阻，用于实现电气隔离后输出端Vout的逻辑电平输出；电阻R3为光电耦合器B1输入端的限流电阻；三极管V1、V2用于完成光电耦合器B1输入端回路的供电控制，三极管V1与三极管V2类型不同，本实施例中，三极管V1为PNP型，三极管V2为NPN型；电阻R1为三极管V1基极回路的限流电阻，电阻R2为三极管V2基极回路的限流电阻；光电耦合器B1输入端的电源正极电平IVcc与三极管V1的发射极连接，与开关量输入信号Vin的高电平相同；光电耦合器B1输入端的电源负极电平IGND与三极管V2的发射极连接，与开关量输入信号Vin的低电平相同；开关量输入信号Vin具有高电平、低电平和悬空三种状态。

开关量输入信号Vin与电阻R1、R2的一端分别连接，电阻R1的另一端连接三极管V1的基极，电阻R2的另一端连接三极管V2的基极，三极管V1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接光电耦合器B1中发光二极管的正极，三极管V2的集电极连接光电耦合器B1中发光二极管的负极，电阻R4的一端连接电源Vcc，另一端连接所述输出端Vout。

本实用新型电路的工作原理为：当开关量输入信号Vin处于悬空状态时，电源正极IVcc和电源负极IGND之间通过限流电阻R1、R2和三极管V1、V2的发射结形成回路，使两只三极管发射结均处于正向偏置状态，三极管V1、V2的基极回路产生控制电流，通过正确选择限流电阻R1、R2的参数值，即可使两只三极管V1、V2均处于饱和导通的状态，当三极管V1、V2饱和导通后，即可使光电耦合器B1的输入控制端形成供电通路，使输入端的发光二极管导通，进而导致输出端导通，输出逻辑低信号；当开关量输入信号Vin处于高电平(即Vin的电平与IVcc电平相同)状态时，三极管V1发射结两端电压相同，发射结处于反向偏置状态，三极管V1处于截止状态，此时光电耦合器B1的输入控制端无法形成供电回路，使输入端的发光二极管截止，进而导致输出端导通，输出逻辑高信号；当开关量输入信号Vin处于低电平(即Vin的电平与IGND电平相同)状态时，三极管V2发射结两端电压相同，发射结处于反向偏置状态，三极管V2处于截止状态，此时光电耦合器B1的输入端不能形成供电回路，使输入端的发光二极管截止，进而导致输出端导通，输出逻辑高信号。综上所述，采用本电路对开关量信号进行采集时，无论输入高电平信号还是低电平信号，均能在光电耦合器的输出端输出逻辑高信号，只有在输入端无信号输入(悬空状态)时，光电耦合器的输出端输出逻辑低信号，即该电路能够完成对输入开关量信号“有”和“无”的区分，完成对开关量信号通用化采集。

本电路在使用时，各工作参数的设置应遵循以下原则：

1)光电耦合器输入端的电源电平：电源正极电平IVcc与开关量输入信号Vin的高电平相同；电源负极电平IGND与开关量输入信号Vin的低电平相同；

2)根据逻辑输出端的负载需求，确定上拉电阻R4的参数值，并据此计算出逻辑输出端导通时的工作电流，输出端导通时，工作电流大部分来自逻辑电源经过电阻R4的通路，因此，该工作电流可通过式(1)计算：

I_c2≈(Vcc-Vce)/R4 (1)

其中，Vce-----光电耦合器输出端饱和导通电压，

3)根据I_c2和光电耦合器的电流传输比参数可以通过式(2)计算出光电耦合器输入端二极管所需的前向电流I_c1：

I_c1＝I_c2/电流传输比 (2)

4)根据I_c1参数的需求值，可以通过式(3)计算出电阻R3的阻值：

R3＝(IVcc-Vce₁-Vce₂-VD)/I_c1 (3)

其中，Vce₁表示三极管V1饱和导通电压；

其中，Vce₂表示三极管V2饱和导通电压；

其中，VD表示光电耦合器B1中二极管的前向导通电压；

5)根据I_c1参数的需求值，可以通过式(4)和式(5)确定三极管V1、V2的基极限流电阻R1和R2：

R1+R2≤β₁(IVcc-V_BE1-V_BE2)/I_c1 (4)

R1+R2≤β₂(IVcc-V_BE1-V_BE2)/I_c1 (5)

其中，β₁--------三极管V1的电压放大倍数；

β₂--------三极管V2的电压放大倍数；

V_BE1------三极管V1的发射结前向导通电压；

V_BE2------三极管V2的发射结前向导通电压；

在工程应用中，三极管V1、V2可以互补配对选取，即两者的电压放大倍数β₁和β₂相同，前向导通电压V_BE1和V_BE2也相同，只是管型不同，限流电阻R1和R2的参数值可以相同。

可以看出，本实用新型通过两只类型不用的三极管分别检测输入开关量电平信号的性质(高电平或低电平)，并且将两只三极管串联在光电耦合器的控制回路中，当检测到任何一种类型的开关量信号输入时，总有一只三极管处于截止状态，使光电耦合器的控制回路断开，只有当没有开关量信号输入时，两只三极管才能同时导通，使光电耦合器的控制回路接通。如此完成对开关量信号的通用化采集，能够完成对开关量信号有(高电平或低电平)和无(悬空状态)的区分。采用本实用新型所述的电路进行开关量采集时，无需事先清楚需要采集的开关量信号电平极性，在外界电平信号极性改变的情况下，无需重新更改电路设计。采用此电路设计的开关量信号采集板可以在更广阔的范围内使用，大大提高采集板的通用性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种通用型开关量输入信号的采集电路，其特征在于，包括光电耦合器B1、三极管V1、V2，以及电阻R1、R2、R3、R4；其中，

2.如权利要求1所述的通用型开关量输入信号的采集电路，其特征在于，开关量输入信号Vin与电阻R1、R2的一端分别连接，电阻R1的另一端连接三极管V1的基极，电阻R2的另一端连接三极管V2的基极，三极管V1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接光电耦合器B1中发光二极管的正极，三极管V2的集电极连接光电耦合器B1中发光二极管的负极，电阻R4的一端连接电源Vcc，另一端连接所述输出端Vout。

3.如权利要求2所述的通用型开关量输入信号的采集电路，其特征在于，三极管V1为PNP型，三极管V2为NPN型。