CN204810253U - 模拟输入电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种模拟输入电路，其包括：一电流采集模块，其对模拟输入信号的进行电流采样；一电压频率转换模块，其接收来自所述电流采集模块的信号，并将该信号从电压转换成频率；一直流偏置模块，其输入一预先设定的参考电压值，并对所述电压频率转换模块提供一直流偏置电压；一隔离模块，其对来自所述电压频率转换模块的频率信号的波形进行整形，并且起隔离作用，然后输出信号至控制装置，从而得到输出电流值。本实用新型提供的模拟输入电路精确度高，造价低，结构简单。

Description

模拟输入电路

技术领域

本实用新型涉及次级保护和电磁电压监控领域，尤其涉及模拟输入电路。

背景技术

模拟输入电路通常用于次级保护设备、电磁电压监控设备，例如继电器、电力监控等。这些模拟输入电路用于获得变压器的温度值或温度值等。其中，模拟数字转换器芯片常常被应用于模拟输入电路之中，这样的应用很容易实现，但是整个模拟输入电路的精确度依赖于模拟数字转换器芯片。如果需要更高的精确度，通常造价也更高。如果模拟输入电路要求隔离，则模拟输入电路还需要其他更多组件。压频转换器(Voltage-to-frequencyConverter)也会应用于模拟输入电路之中，但这样的应用并不常见，这是因为这样的应用通常精确度很低。具体地，当输入电压很低时，就很难辨别数字滤波算法，然而压频转换器的造价相对较低。

图1示出了现有技术的一种模拟输入电路，其中，所述模拟输入电路包括一模拟数字转换器。其中，模拟输入电路100包括一电流采样模块101，其将输入的模拟电流转换为电压并将其输送至放大和数字模拟转换模块102。放大和模拟数字转换模块102用于休整电压值至相关数值范围，并进行模拟数字转换。从放大和模拟数字转换模块102出来的信号需要经过多个隔离电路，示例性地如隔离电路103a、隔离电路103b……隔离电路103c。其中，上述隔离电路用于用数字电路隔离模拟输入信号。最后，从上述隔离电路出来的与输入电流值相关的数字信号被输送至CPU104进行处理。

图1所示的模拟输入电路100的精确度依赖于其中模拟数字转换器芯片，并且造价较高。并且，模拟输入电路100需要多路隔离电路。其中，当模拟数字转换器芯片是串行接口时，其至少需要三路隔离电路。当模拟数字转换器芯片是并行接口时，则至少需要八路隔离电路。

图2示出了现有技术的一种模拟输入电路，其中，所述模拟输入电路包括一压频转换模块。其中，所述模拟输入电路200包括一电流采样模块201，其将输入的模拟电流转换为电压并将其输送给压频转换模块202，接着由压频转换模块202将电压信号转化成频率，再经过隔离电路203的隔离，最后输入CPU204进行处理。

应用如图2所示的模拟输入电路200，当输入电压很低时，采样速率很低，因此难以辨认数字滤波算法，精确度较低。模拟输入电路200不能应用于工业中的较强干扰领域。

实用新型内容

本实用新型提出了一种模拟输入电路，其包括：一电流采集模块，其对模拟输入信号的进行电流采样；一电压频率转换模块，其接收来自所述电流采集模块的信号，并将该信号从电压转换成频率；一直流偏置模块，其输入一预先设定的参考电压值，并对所述电压频率转换模块提供一直流偏置电压；一隔离模块，其对来自所述电压频率转换模块的频率信号的波形进行整形，并且起隔离作用，然后输出信号至控制装置，从而得到输出电流值。本实用新型提供的模拟输入电路结构简单造价低，可以增加电流采样速率，辨别数字滤波算法，因此在强磁干扰的工业环境下具有高准确度。并且，参考电压具有低温度系数，因此本实用新型提供的模拟输入电路具有在很宽的温度范围内都具有良好表现。本实用新型仅需要一个隔离模块，其精确度达到了0.2％，并可适用于工业领域的大部分应用。

进一步地，所述隔离模块包括光电隔离转换器。

进一步地，所述电压频率转换模块包括：一第一运算放大器，其第一输入端串联有一第一电阻，在该第一电阻上游还分别连接有一第一电容和一第二电阻，所述第一电容和第二电阻的另一端分别连接至第一连接点，其中，所述运算放大器的第二输入端串联有一第三电阻，在该第三电阻上游还分别连接有第二电容和第四电阻，所述第二电容和第四电阻的另一端分别连接至第二连接点，输入电压通过所述运算放大器的第一端和第二端输入，经过第一运算放大器的处理输出频率信号给隔离模块。

进一步地，所述直流偏置模块，其包括一第三电容，其连接至一参考电源芯片；一第一并联支路，其输入端连接至电源芯片的输出端，所述其包括并联的第五电阻和第四电容、第六电阻，其中，所述第四电容、第六电阻之间连接至接地端；一第二运算放大器，其一个输入端连接至所述第一并联支路，其输出端和另一输入端连接至第三连接点；一第七电阻，其与第一运算放大器的第一输入端和第二输入端分别连接至第四连接点和第五连接点；一第十六电容，其连接至第四连接点和第五连接点之间。

进一步地，所述隔离模块包括：一光电耦合器，其一输入端依次串联有一第八电阻和第六电容；一第一施密特反相器，其输出端连接至所述光电耦合器的另一输入端，其输入端连接至电压频率转换模块，其中，所述光电耦合器的一输出端依次串联有一第九电阻和第二施密特反相器，所述第二施密特反相器的输出端连接至控制装置，在所述第九电阻和所述光电耦合器的一输出端之间的之路上还连接有一第十电阻，所述第十电阻并联有一光电二极管和一第十一电阻。

进一步地，所述电流采集模块依次包括相互并联的一可变电阻、瞬变电压抑制二极管、第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容和第十四电容，其中，在所述瞬变电压抑制二极管和所述第九电容之间还分别包括两个并联支路，所述两个并联支路分别包括第十二电阻和第十三电阻以及第十四电阻和第十五电阻，在所述第十一电容和所述第十二电容之间还分别连接有第一铁氧体磁珠和第二铁氧体磁珠，所述第十四电容还并联有相互串联的第十六电阻和第十七电阻以及第十八电阻和第十九电阻，其中，所述第十六电阻和第十七电阻之间的第六连接点和第七连接点相互连接，所述第七连接点为第十八电阻和第十九电阻之间的连接点，在所述第七连接点上还连接有一第二十电阻，所述第二十电阻还并联有一第十五电容。

附图说明

图1是现有技术的一种模拟输入电路，其包括模拟数字转换器；

图2是现有技术的另一模拟输入电路；

图3是根据本实用新型的一个具体实施例的模拟输入电路的结构示意图；

图4是根据本实用新型的一个具体实施例的模拟输入电路的电压频率转换模块的结构示意图；

图5是根据本实用新型的一个具体实施例的模拟输入电路的电流采集模块的结构示意图；

图6是根据本实用新型的另一具体实施例的模拟输入电路的隔离模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行说明。

本实用新型提供了一种模拟输入电路，其包括一电流采集模块201，其对模拟输入信号的进行电流采样。模拟输入电路还包括一电压频率转换模块202，其接收来自所述电流采集模块201的信号，并将该信号从电压转换成频率。一直流偏置模块205连接至所述电压频率转换模块202，其输入一预先设定的参考电压值，并对所述电压频率转换模块202提供一直流偏置电压。一隔离模块203对来自所述电压频率转换模块202的频率信号的波形进行整形，并且起隔离作用，然后输出信号至控制装置204，从而得到输出电流值。

其中，本实用新型提供的模拟输入电路可以提供一稳定的电压，放大功能又将该稳定的电压调制到一期望的数值。

进一步地，所述隔离模块203包括光电隔离转换器。

具体地，如图4所示，所述电压频率转换模块202包括一第一运算放大器D₁，其第一输入端串联有一第一电阻R₁，在该第一电阻R₁上游还分别连接有一第一电容C₁和一第二电阻R₂，所述第一电容C₁和第二电阻R₂的另一端分别连接至第一连接点a，所述第一连接点a连接至XX，其中，所述运算放大器D₁的第二输入端串联有一第三电阻R₃，在该第三电阻R₃上游还分别连接有第二电容C₂和第四电阻R₄，所述第二电容C₂和第四电阻R₄的另一端分别连接至第二连接点b，输入电压通过所述第一运算放大器D₁的第一端和第二端输入，经过第一运算放大器D₁的处理输出频率信号给隔离模块。其中，所述第一运算放大器D₁还外接一电源，在所述第一运算放大器D₁和电源之间还连接有一并联支路，包括并联的第七电容C₇和极性电容C₈。

其中，所述第一电容C₁和第二电阻R₂充当滤波功能，所述第二电容C₂和第二电阻R₂充当滤波功能，所述第一电阻R₁和第三电阻R₃为输入阻抗。在第五连接点e和所述运算放大器D₁的输出端之间还连接有一第五电容C₅，其为反馈电阻，并且，第五电容C₅还并联有一第八电阻R₈。

如图4所示，所述直流偏置模块包括一第三电容C₃，其连接至一参考电源芯片W，其中，所述第三电容C₃用于滤波功能。其中，所述直流偏执模块还包括一第一并联支路，其输入端连接至电源芯片W的输出端，所述其包括并联的第五电阻R₅和第四电容C₄、第六电阻R₆，其中，所述第四电容C₄、第六电阻R₆之间连接至接地端。其中，所述第四电容C₄充当滤波功能，R₆为分压电阻。所述参考电源芯片W提供稳定的参考电压，当采集的电压低于参考电压值时，将采集电压提高，因此可以稳定采集电压。

进一步地，所述直流偏置模块还包括第二运算放大器D₂，其一个输入端连接至所述第一并联支路，其输出端和另一输入端连接至第三连接点c。其中，一第七电阻R₇与第一运算放大器D₁的第一输入端和第二输入端分别连接至第四连接点d和第五连接点e。其中，在第四连接点d输出的是标准直流电平。一第十六电容C₆连接至第四连接点d和第五连接点e之间。

如图5所示，所述电流采集模块依次包括相互并联的一可变电阻R、瞬变电压抑制二极管TVS、第九电容C₉、第十电容C₁₀、第十一电容C₁₁、第十二电容C₁₂、第十三电容C₁₃和第十四电容C₁₄，其中，在所述瞬变电压抑制二极管TVS和所述第九电容C₉之间还分别包括两个并联支路，所述两个并联支路分别包括第十二电阻R₁₂和第十三电阻R₁₃以及第十四电阻R₁₄和第十五电阻R₁₅，在所述第十一电容C₁₁和所述第十二电容C₁₂之间还分别连接有第一铁氧体磁珠FB₁和第二铁氧体磁珠FB₂，所述第十四电容C₁₄还并联有相互串联的第十六电阻R₁₆和第十七电阻R₁₇以及第十八电阻R₁₈和第十九电阻R₁₉，其中，所述第十六电阻R₁₆和第十七电阻R₁₇之间的第六连接点f和第七连接点g相互连接，在所述第七连接点g上还连接有一第二十电阻R₂₀，所述第二十电阻R₂₀并联有一第十五电容C₁₅。

因此，电流转换成电压的方程式如下：

$V_{\mathrm{in}}=\frac{I\×(R_{16}+R_{17})\×(R_{18}+R_{19})}{R_{16}+R_{17}+R_{18}+R_{19}}=I\×K_1$

其中，V_in为图5所示的电流采集模块的输出电压，K₁为常数，约等于20，R₁₆为第十六电阻R₁₆的电阻值，R₁₇为第十七电阻R₁₇的电阻值，R₁₈为第十八电阻R₁₈的电阻值，R₁₉为第十九电阻R₁₉电阻值，

进一步地，放大倍数的方程式如下：

$V_{\mathrm{Tp}10}=V_{\mathrm{in}}\×\frac{R_8}{R_3}+V\frac{R_5}{R_6}=V_{\mathrm{in}}\×K_2+V_{\mathrm{ref}},$ 其中， $K_2=\frac{R_8}{R_3}=5.882$

其中，V_Tp10是运算放大器D₁的输出端电压(见图4)，V_ref为参考电压，R₃为第三电阻R₃的电阻值，R₅为第五电阻R₅的电阻值，R₆为第六电阻R₆的电阻值，R₈为第八电阻的电阻值。

进一步地，参考电压的方程式为：

$V_{\mathrm{ref}}=2.5\×\frac{R_6}{R_6+R_5}=1.25V$

如图6所示，所述隔离模块包括一光电耦合器OC，其一输入端依次串联有一第八电阻R₈和第六电容C₆；一第一施密特反相器SI₁，其输出端连接至所述光电耦合器OC的另一输入端，其输入端连接至电压频率转换模块，其中，所述光电耦合器OC的一输出端依次串联有一第九电阻R₉和第二施密特反相器SI₂，所述第二施密特反相器SI₂的输出端连接至控制装置204，在所述第九电阻R₉和所述光电耦合器OC的一输出端之间的之路上还连接有一第十电阻R₁₀，所述第十电阻R₁₀并联有一光电二极管d₁和一第十一电阻R₁₁。

其中，所述第一施密特反相器S_I1用于充当电压波形整形功能，所述第六电容C₆用于限流，所述光电耦合器OC用于限流，所述第二施密特反相器SI₂用于滤波。

本实用新型提供的模拟输入电路结构简单造价低，可以增加电流采样速率，辨别数字滤波算法，因此在强磁干扰的工业环境下具有高准确度。并且，参考电压具有低温度系数，因此本实用新型提供的模拟输入电路具有在很宽的温度范围内都具有良好表现。本实用新型仅需要一个隔离模块，其精确度达到了0.2％，并可适用于工业领域的大部分应用。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (6)

1.一种模拟输入电路，其包括：

一电流采集模块(201)，其对模拟输入信号的进行电流采样；

一电压频率转换模块(202)，其接收来自所述电流采集模块(201)的信号，并将该信号从电压转换成频率；

一直流偏置模块(205)，其输入一预先设定的参考电压值，并对所述电压频率转换模块(202)提供一直流偏置电压；

一隔离模块(203)，其对来自所述电压频率转换模块(202)的频率信号的波形进行整形，并且起隔离作用，然后输出信号至控制装置(204)，从而得到输出电流值。

2.根据权利要求1所述的模拟输入电路，其特征在于，所述隔离模块(203)包括光电隔离转换器。

3.根据权利要求1所述的模拟输入电路，其特征在于，所述电压频率转换模块包括：

一第一运算放大器(D₁)，其第一输入端串联有一第一电阻(R₁)，在该第一电阻(R₁)上游还分别连接有一第一电容(C₁)和一第二电阻(R₂)，所述第一电容(C₁)和第二电阻(R₂)的另一端分别连接至第一连接点(a)，其中，所述运算放大器(D₁)的第二输入端串联有一第三电阻(R₃)，在该第三电阻(R₃)上游还分别连接有第二电容(C₂)和第四电阻(R₄)，所述第二电容(C₂)和第四电阻(R₄)的另一端分别连接至第二连接点(b)，输入电压通过所述运算放大器(D₁)的第一端和第二端输入，经过第一运算放大器(D₁)的处理输出频率信号给隔离模块。

4.根据权利要求1所述的模拟输入电路，其特征在于，所述直流偏置模块，其包括：

一第三电容(C₃)，其连接至一参考电源芯片(W)；

一第一并联支路，其输入端连接至电源芯片(W)的输出端，所述其包括并联的第五电阻(R₅)和第四电容(C₄)、第六电阻(R₆)，其中，所述第四电容(C₄)、第六电阻(R₆)之间连接至接地端；

一第二运算放大器(D₂)，其一个输入端连接至所述第一并联支路，其输出端和另一输入端连接至第三连接点(c)；

一第七电阻(R₇)，其与第一运算放大器(D₁)的第一输入端和第二输入端分别连接至第四连接点(d)和第五连接点(e)；

一第十六电容(C₁₆)，其连接至第四连接点(d)和第五连接点(e)之间。

5.根据权利要求1所述的模拟输入电路，其特征在于，所述隔离模块包括：

一光电耦合器(OC)，其一输入端依次串联有一第八电阻(R₈)和第六电容(C₆)；

一第一施密特反相器(SI₁)，其输出端连接至所述光电耦合器(OC)的另一输入端，其输入端连接至电压频率转换模块(202)，

其中，所述光电耦合器(OC)的一输出端依次串联有一第九电阻(R₉)和第二施密特反相器(SI₂)，所述第二施密特反相器(SI₂)的输出端连接至控制装置(204)，在所述第九电阻(R₉)和所述光电耦合器(OC)的一输出端之间的之路上还连接有一第十电阻(R₁₀)，所述第十电阻(R₁₀)并联有一光电二极管(d₁)和一第十一电阻(R₁₁)。

6.根据权利要求1所述的模拟输入电路，其特征在于，所述电流采集模块依次包括相互并联的一可变电阻(R)、瞬变电压抑制二极管(TVS)、第九电容(C₉)、第十电容(C₁₀)、第十一电容(C₁₁)、第十二电容(C₁₂)、第十三电容(C₁₃)和第十四电容(C₁₄)，其中，在所述瞬变电压抑制二极管(TVS)和所述第九电容(C₉)之间还分别包括两个并联支路，所述两个并联支路分别包括第十二电阻(R₁₂)和第十三电阻(R₁₃)以及第十四电阻(R₁₄)和第十五电阻(R₁₅)，在所述第十一电容(C₁₁)和所述第十二电容(C₁₂)之间还分别连接有第一铁氧体磁珠(FB₁)和第二铁氧体磁珠(FB₂)，所述第十四电容(C₁₄)还并联有相互串联的第十六电阻(R₁₆)和第十七电阻(R₁₇)以及第十八电阻(R₁₈)和第十九电阻(R₁₉)，其中，所述第十六电阻(R₁₆)和第十七电阻(R₁₇)之间的第六连接点(f)和第七连接点(g)相互连接，所述第七连接点(g)为第十八电阻(R₁₈)和第十九电阻(R₁₉)之间的连接点，在所述第七连接点(g)上还连接有一第二十电阻(R₂₀)，所述第二十电阻(R₂₀)还并联有一第十五电容(C₁₅)。