CN211786726U - 差分信号输入电路及控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请适用于工业控制技术领域，提供了一种差分信号输入电路及控制系统，差分信号输入电路包括控制单元、限流单元、逻辑单元和开关单元；限流单元的第一端用于连接编码器的第一输出端，限流单元的第二端连接逻辑单元的第一控制端，控制单元的第一端用于连接编码器的第一输出端，控制单元的第二端用于连接编码器的第二输出端，控制单元的第三端连接开关单元的控制端，控制单元的第四端连接开关单元的输出端，开关单元的输入端连接逻辑单元的第二控制端，逻辑单元的输出端用于连接控制器。本电路为电流控制型差分输入电路，具有抗电磁干扰能力强的特点，能够适用于具有大功率电机应用的环境中。

Description

差分信号输入电路及控制系统

技术领域

本实用新型属于工业控制技术领域，尤其涉及一种差分信号输入电路及控制系统。

背景技术

运动控制型PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)目前都具有编码器差分信号输入接口。差分信号具有传输距离远、抗干扰能力强的特点，在工业控制PLC输入/输出信号中日益普及。通常PLC的差分信号输入接口电路采用的是标准5V的485信号平衡电压数字接口芯片来实现，其电性能本质为电压控制差分电路即电压控制通信电路。

传统的差分输入电路为电压控制型差分输入电路，当运用到电机等强干扰环境中，不能满足PLC的现场应用要求，实际使用经常会造成脉冲计数产生误差，从而造成PLC控制的精度和准度降低。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种差分信号输入电路及控制系统，以解决现有技术中差分信号输入电路抗干扰能力差的问题。

本申请是通过如下技术方案实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种差分信号输入电路，包括控制单元、限流单元、逻辑单元和开关单元；

所述限流单元的第一端用于连接编码器的第一输出端，所述限流单元的第二端连接所述逻辑单元的第一控制端，所述控制单元的第一端用于连接所述编码器的第一输出端，所述控制单元的第二端用于连接所述编码器的第二输出端，所述控制单元的第三端连接所述开关单元的控制端，所述控制单元的第四端连接所述开关单元的输出端，所述开关单元的输入端连接所述逻辑单元的第二控制端，所述逻辑单元的输出端用于连接控制器；

其中，所述控制单元根据所述编码器输出的差分信号输出控制信号，所述开关单元根据所述控制信号转换到导通状态或断开状态，所述逻辑单元根据所述开关单元的状态输出对应的逻辑信号至所述控制器，当所述开关单元处于导通状态时，所述控制单元控制回路的电流为设定电流。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述限流单元包括第一电阻；

所述第一电阻的一端用于连接所述编码器的第一输出端，所述第一电阻的另一端连接所述逻辑单元的第一控制端。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述开关单元包括开关管；

所述开关管的基极连接所述控制单元的第三端，所述开关管的集电极连接所述逻辑单元的第二控制端，所述开关管的发射极连接所述控制单元的第四端。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述控制单元包括第二电阻、第四电阻和稳压芯片；

所述第二电阻的一端用于连接所述编码器的第一输出端，所述第二电阻的另一端分别连接稳压芯片的第二端和开关单元的控制端，所述稳压芯片的第一端分别连接第四电阻的一端和所述开关单元的输出端，所述稳压芯片的第三端分别连接所述第四电阻的另一端和所述编码器的第二输出端。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述逻辑单元包括光耦、第一电容、第二电容和第五电阻；

所述光耦的第一输入端连接所述限流单元的第二端，所述光耦的第二输入端连接所述开关单元的输入端，所述光耦的电源端分别连接第一电容的一端、第五电阻的一端和电源VCC，所述光耦的接地端分别连接第二电容的一端和地，所述光耦的输出端分别连接所述第五电阻的另一端、所述第二电容的另一端和所述控制器，所述第一电容的另一端接地。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述差分信号输入电路还包括第三电阻；

所述第三电阻的一端分别连接所述限流单元的第二端和所述逻辑单元的第一控制端，所述第三电阻的另一端分别连接所述开关单元的输入端和所述逻辑单元的第二控制端。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述差分信号输入电路还包括稳压二极管；

所述稳压二极管的阳极连接所述编码器的第二输出端，所述稳压二极管的阴极分别连接所述限流单元的第二端和所述逻辑单元的第一控制端。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述差分信号输入电路还包括第一二极管；

所述第一二极管的阳极连接所述编码器的第一输出端，所述第一二极管的阴极分别连接所述限流单元的第一端和所述控制单元的第一端。

第二方面，本申请实施例提供了一种控制系统，包括第一方面所述的差分信号输入电路。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本申请实施例，控制单元根据编码器输出的差分信号，生成控制信号，进而控制开关单元的状态，逻辑单元根据开关单元不同的状态可以输出对应的逻辑信号至控制器，当开关单元处于导通状态时，限流单元、编码器、开关单元、逻辑单元和控制单元形成闭合的回路，控制单元将回路的电流控制为预设电流。相对于传统的电压控制电路，本电路为电流控制型差分输入电路，具有抗电磁干扰能力强的特点，能够适用于具有大功率电机应用的环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的传统的差分信号输入接口电路；

图2是本实用新型实施例提供的差分信号输入电路的原理框图；

图3是本实用新型实施例提供的差分信号输入电路的电路连接示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”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。

如在本申请说明书和所附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]”。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

传统的差分输入电路为电压控制型差分输入电路，当运用到电机等强干扰环境中，不能满足PLC的现场应用要求，实际使用经常会造成脉冲计数产生误差，从而造成PLC控制的精度和准度降低。

如图1所示，为传统的差分信号输入接口电路，D为外部设备的信号发送端，R为PLC的差分输入接收器，ZT为长距离防反射的端接电阻，该端接电阻的优点是可以防止信号长距离信号反射，缺点为降低电压(A-B)的值。485平衡电压数字接口特点为传输距离长，长达1200米且具有一定抗干扰能力。标准的485平衡电压数字接口物理层通信协议为：若差分接收器输入电压(A-B)大于或等于200mV，差分输入接收器输出逻辑高电平，差分输入接收器输出为逻辑高电平时才会开始建立通信；若电压(A-B)小于或等于-200mV，差分输入接收器输出为逻辑低电平。若电压(A-B)在-200mV和200mV之间，系统会出现不稳定，所以通常平衡电压数字接口有上拉电阻接在A线上，下拉电阻接在B线上，这样空闲或者输入为电压(A-B)小于或等于-200mV时差分输入接收器输出为逻辑低电平。

该技术应用在长距离通信中具有明显优势，但是在PLC应用当中优势不是很明显，因为电机编码器输出的线路不会太长，通常是几米或十几米范围，电压不会衰减的过低，也不需要200mV的弱电压检测，通常是5V输出，也有采用高压12V或24V输出的编码器。485信号本质是差分的电压信号，所以其运用到电机等强干扰环境中，不能满足PLC的现场应用要求，实际使用经常会造成脉冲计数产生误差，从而造成PLC控制的精度和准度降低。

基于上述问题，本申请实施例公开了一种差分信号输入电路，控制单元根据编码器输出的差分信号生成控制信号进而控制开关单元的状态，逻辑单元根据开关单元不同的状态可以输出对应的逻辑信号至控制器，当开关单元处于导通状态时，限流单元、编码器、开关单元和控制单元形成闭合的回路，控制单元将回路的电流控制为预设电流。相对于传统的电压控制电路，本申请实施例为电流控制型差分输入电路，具有抗电磁干扰能力强的特点，能够适用于具有大功率电机应用的环境中。

图2示出了本申请实施例提供的差分信号输入电路的原理框图，差分信号输入电路可以包括控制单元50、限流单元20、逻辑单元30和开关单元40，限流单元20的第一端用于连接编码器10的第一输出端，限流单元20的第二端连接逻辑单元30的第一控制端，控制单元50的第一端用于连接编码器10的第一输出端，控制单元50的第二端用于连接编码器10的第二输出端，控制单元50的第三端连接开关单元40的控制端，控制单元50的第四端连接开关单元40的输出端，开关单元40的输入端连接逻辑单元30的第二控制端，逻辑单元30的输出端用于连接控制器60。

具体地，编码器10通过第一输出端和第二输出端输出差分信号，控制单元50根据差分信号生成控制信号，开关单元40根据控制信号实现导通状态或断开状态的转换，逻辑单元30根据开关单元40的状态，输出对应的逻辑信号至控制器60。其中，在开关单元40处于导通状态时，限流单元20、编码器10、逻辑单元30、开关单元40和控制单元50形成闭合回路，此时控制单元50控制回路的电流为预设电流。相对于传统的电压控制电路，本电路为电流控制型差分输入电路，具有抗电磁干扰能力强的特点，能够适用于具有大功率电机应用的环境中。

示例性的，编码器10输出的差分信号为有效信号(编码器10两端的电压差值符合预设值)时，控制单元50控制开关单元40转换到导通状态，此时限流单元20、编码器10、逻辑单元30、开关单元40和控制单元50形成闭合回路，逻辑单元30的输出端输出第一逻辑信号至控制器60；编码器10输出的差分信号为无效信号(编码器10两端的电压差值不符合预设值)时，控制单元50控制开关单元40转换到断开状态，此时不能形成闭合回路，逻辑单元30输出第二逻辑信号控制器60。

需要说明的，逻辑单元30输出的逻辑信号可以为高电平或低电平，控制器60可以为任何能够接收指令并根据指令控制其他外围设备动作的电路或系统，例如，单片机、FPGA或PLC等。编码器10输出的差分信号在有效信号和无效信号不断切换形成脉冲信号，控制器60对编码器10的脉冲信号进行计数。

图3示出了本申请实施例提供的差分信号输入电路的电路连接示意图，本申请的差分信号输入电路可以应用于5V、12V或24V等电压的编码器10，为了清楚说明，以差分信号输入电路适用于5V编码器10进行说明。

示例性的，限流单元20可以包括第一电阻R1，第一电阻R1的一端用于连接编码器10的第一输出端，第一电阻R1的另一端连接逻辑单元30的第一控制端。

具体地，第一电阻R1起到限制电路电流的作用，防止编码器10输出高压对电路中的其他元器件造成损坏。第一电阻R1的阻值可以设定为10Ω-20Ω，在起到限流作用的前提下，降低对电路中电流的消耗。

示例性的，控制单元50可以包括第二电阻R2、第四电阻R4和稳压芯片VD1，第二电阻R2的一端用于连接编码器10的第一输出端，第二电阻R2的另一端分别连接稳压芯片VD1的第二端和开关单元40的控制端，稳压芯片VD1的第一端分别连接第四电阻R4的一端和开关单元40的输出端，稳压芯片VD1的第三端分别连接第四电阻R4的另一端和编码器10的第二输出端。

具体地，第二电阻R2为限流电阻，为开关管Q1和稳压芯片VD1提供驱动电流，能够保证开关管Q1和稳压芯片VD1正常动作。若第二电阻R2阻值过小，则会导致增大流经开关管Q1基极的误差电流，和导致增大稳压芯片VD1和第四电阻R4构成恒流源的误差；若第二电阻R2阻值过大，会造成驱动电流过小，无法驱动稳压芯片VD1工作，因此第二电阻R2的阻值可以设定为4.7KΩ-10KΩ。第四电阻R4和稳压芯片VD1构成恒流源，第四电阻R4的两端电压为稳压芯片VD1第一端输出的电压，因此流经第四电阻R4的电流等于稳压芯片VD1第一端的电压除以第四电阻R4的阻值，例如，稳压芯片VD1第一端输出电压为1.25V，第四电阻R4的阻值为125Ω，则流经第四电阻R4的电流I＝1.25V/125Ω＝10mA。稳压芯片VD1可以选用TL432或AZ432型号的1.25V稳压芯片VD1。

当编码器10输出的差分信号为有效信号时，经过第二电阻R2驱动开关管Q1导通，并驱动稳压芯片VD1工作，形成闭合回路，回路电流为稳压芯片VD1和第四电阻R4构成恒流源提供的电流。

示例性的，开关单元40可以包括开关管Q1，开关管Q1的基极连接控制单元50的第三端，开关管Q1的集电极连接逻辑单元30的第二控制端，开关管Q1的发射极连接控制单元50的第四端。

具体地，控制单元50根据编码器10输出的差分信号控制开关管Q1的导通或断开，例如当编码器10输出的差分信号为有效信号时，控制单元50控制开关管Q1导通(集电极和发射极导通)，当编码器10输出的差分信号为无效信号时，控制单元50控制开关管Q1断开(集电极和发射极不导通)，开关管Q1可以选择NPN型三极管。

示例性的，逻辑单元30可以包括光耦U1、第一电容C1、第二电容C2和第五电阻R5，光耦U1的第一输入端连接限流单元20的第二端，光耦U1的第二输入端连接开关单元40的输入端，光耦U1的电源端分别连接第一电容C1的一端、第五电阻R5的一端和电源VCC，光耦U1的接地端分别连接第二电容C2的一端和地，光耦U1的输出端分别连接第五电阻R5的另一端、第二电容C2的另一端和控制器60，第一电容C1的另一端接地。

具体地，光耦U1输出的逻辑信号受控于开关管Q1的状态(导通或断开)。例如当编码器10输出的差分信号为有效信号时，开关管Q1导通，则编码器10、第一电阻R1、开关管Q1、光耦U1和第四电阻R4构成闭合回路，此时光耦U1的输出端输出高电平；当编码器10输出的差分信号为无效信号时，开关管Q1断开，此时不能形成闭合的回路，光耦U1的输出端输出低电。

可选的，光耦U1可以选用HCPL-0631、TLP2168或6N137等型号的高速光耦U1，第一电容C1和第二电容C2为滤波电容，防止交流信号进入光耦U1中，造成光耦U1的损坏。第五电阻R5为上拉电阻，第五电阻R5的作用为默认光耦U1输出高电平。

示例性的，差分信号输入电路还可以包括第三电阻R3，第三电阻R3的一端分别连接限流单元20的第二端和逻辑单元30的第一控制端，第三电阻R3的另一端分别连接开关单元40的输入端和逻辑单元30的第二控制端。

具体地，第三电阻R3作用为开关管Q1提供电流通路，当开关管Q1导通时，若此时无法驱动光耦U1动作，此时第一电阻R1、第三电阻R3、开关管Q1、第四电阻R4和编码器10组成闭合回路，可以防止电路无法形成闭合回路，电路中的元器件发热造成元器件损坏，起到保护电路的作用。第三电阻R3的阻值过小，容易造成光耦U1导通时电流增大；若第三电阻R3的阻值过大时，会导致无法驱动光耦U1动作，因此第三电阻R3的阻值可以设置为4.7KΩ-10KΩ。

示例性的，差分信号输入电路还可以包括稳压二极管VD2，稳压二极管VD2的阳极连接编码器10的第二输出端，稳压二极管VD2的阴极分别连接限流单元20的第二端和逻辑单元30的第一控制端。

具体地，稳压二极管VD2可以选用6V或6.8V的稳压二极管VD2，为光耦U1提供足够高的驱动电压，保证能够正常驱动光耦U1动作。

示例性的，差分信号输入电路还可以包括第一二极管D1，第一二极管D1的阳极连接编码器10的第一输出端，第一二极管D1的阴极分别连接限流单元20的第一端和控制单元50的第一端。

具体地，第一二极管D1可以选用1N5819或SS14的肖特基二极管，第一二极管D1可以防止信号倒流到编码器10，造成编码器10损坏，起到保护电路的作用。

为了清楚说明差分信号输入电路的工作原理，参照图3，以一个具体的实施例进行说明。

图3中的差分信号输入电路中，第一电阻R1的阻值为10Ω，第二电阻R2的阻值为5.6KΩ，第三电阻R3的阻值为4.7KΩ，第四电阻R4的阻值为125Ω，光耦U1选用TLP2168的高速光耦U1。

经过查阅TLP2168的资料可知，光耦U1输入电流为10mA时，两个输入端之间的压降为1.57V，最大为1.8V。10mA电流在第四电阻R4的压降为1.25V，在第一电阻R1上的压降为0.1V。肖特基二极管具有自身压降小的特点，因此第一二极管D1选用肖特基二极管可以降低压降，例如第一二极管D1选用1N5819的二极管，其压降在10mA电流的情况下最大为0.3V。

通过以上配置，差分信号输入电路最小导通阈值为3.22V，以光耦U1的最大导通管压降计算导通电压为3.45V，用实际编码器10测试，抗干扰能力良好。

本申请还公开了一种控制系统，包括上述的差分信号输入电路，该系统具有良好的抗干扰能力。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种差分信号输入电路，其特征在于，包括控制单元、限流单元、逻辑单元和开关单元；

所述限流单元的第一端用于连接编码器的第一输出端，所述限流单元的第二端连接所述逻辑单元的第一控制端，所述控制单元的第一端用于连接所述编码器的第一输出端，所述控制单元的第二端用于连接所述编码器的第二输出端，所述控制单元的第三端连接所述开关单元的控制端，所述控制单元的第四端连接所述开关单元的输出端，所述开关单元的输入端连接所述逻辑单元的第二控制端，所述逻辑单元的输出端用于连接控制器；

其中，所述控制单元根据所述编码器输出的差分信号输出控制信号，所述开关单元根据所述控制信号转换到导通状态或断开状态，所述逻辑单元根据所述开关单元的状态输出对应的逻辑信号至所述控制器，当所述开关单元处于导通状态时，所述控制单元控制回路的电流为设定电流。

2.根据权利要求1所述的差分信号输入电路，其特征在于，所述限流单元包括第一电阻；

所述第一电阻的一端用于连接所述编码器的第一输出端，所述第一电阻的另一端连接所述逻辑单元的第一控制端。

3.根据权利要求1所述的差分信号输入电路，其特征在于，所述开关单元包括开关管；

所述开关管的基极连接所述控制单元的第三端，所述开关管的集电极连接所述逻辑单元的第二控制端，所述开关管的发射极连接所述控制单元的第四端。

4.根据权利要求1所述的差分信号输入电路，其特征在于，所述控制单元包括第二电阻、第四电阻和稳压芯片；

所述第二电阻的一端用于连接所述编码器的第一输出端，所述第二电阻的另一端分别连接稳压芯片的第二端和开关单元的控制端，所述稳压芯片的第一端分别连接第四电阻的一端和所述开关单元的输出端，所述稳压芯片的第三端分别连接所述第四电阻的另一端和所述编码器的第二输出端。

5.根据权利要求1所述的差分信号输入电路，其特征在于，所述逻辑单元包括光耦、第一电容、第二电容和第五电阻；

所述光耦的第一输入端连接所述限流单元的第二端，所述光耦的第二输入端连接所述开关单元的输入端，所述光耦的电源端分别连接第一电容的一端、第五电阻的一端和电源VCC，所述光耦的接地端分别连接第二电容的一端和地，所述光耦的输出端分别连接所述第五电阻的另一端、所述第二电容的另一端和所述控制器，所述第一电容的另一端接地。

6.根据权利要求1至5任一项所述的差分信号输入电路，其特征在于，所述差分信号输入电路还包括第三电阻；

所述第三电阻的一端分别连接所述限流单元的第二端和所述逻辑单元的第一控制端，所述第三电阻的另一端分别连接所述开关单元的输入端和所述逻辑单元的第二控制端。

7.根据权利要求1至5任一项所述的差分信号输入电路，其特征在于，所述差分信号输入电路还包括稳压二极管；

所述稳压二极管的阳极连接所述编码器的第二输出端，所述稳压二极管的阴极分别连接所述限流单元的第二端和所述逻辑单元的第一控制端。

8.根据权利要求1至5任一项所述的差分信号输入电路，其特征在于，所述差分信号输入电路还包括第一二极管；

所述第一二极管的阳极连接所述编码器的第一输出端，所述第一二极管的阴极分别连接所述限流单元的第一端和所述控制单元的第一端。

9.一种控制系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的差分信号输入电路。

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