專利名稱：模擬電壓輸入電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬信號輸入領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種模擬電壓輸入電路及方法。
背景技術(shù)：
在實(shí)現(xiàn)變頻器的整體功能時(shí)，需進(jìn)行控制信號輸入。通常數(shù)字信號處理器置于功率電源所在的一次側(cè)，由于一次側(cè)的電源和各種信號是強(qiáng)電信號，因此該側(cè)的信號不滿足安規(guī)要求。而變頻器中的對外端子主要提供給操作者使用，以進(jìn)行控制指令輸入，由于該對外端子人體易接觸到，因此必須滿足安規(guī) 要求。模擬電壓輸入端子是對外端子的一種，因此一般將其設(shè)置在電源的二次側(cè)，該側(cè)屬于弱電區(qū)，從而使其滿足安規(guī)要求。因此，為實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號輸入且滿足安規(guī)要求，需將模擬電壓信號隔離輸入到一次側(cè)的數(shù)字信號處理器。通過隔離方案將模擬電壓信號輸入到一次側(cè)的數(shù)字信號處理器，目前主要通過以下兩種方案(I)利用線性光耦隔離將模擬電壓信號送到數(shù)字信號處理器側(cè)即一次側(cè)，數(shù)字信號處理器使用ADC采樣即可實(shí)時(shí)得知對外端子的輸入模擬電壓。模擬電壓輸入信號在二次側(cè)通過線性光耦的隔離后到達(dá)一次側(cè)，既實(shí)現(xiàn)了安規(guī)上的隔離，又能滿足將輸入的模擬電壓反映到一次側(cè)。上述方案中，信號的線性度和精度都能保證，響應(yīng)時(shí)間小，但是該方案的缺點(diǎn)是線性光耦的成本較高。(2)利用ADC米樣芯片和光稱組成隔離方案。該方案中,ADC芯片設(shè)于二次側(cè),光率禹跨接在電源的一次側(cè)和二次側(cè)，并起著隔離和傳輸數(shù)字信號的作用模擬電壓信號經(jīng)過調(diào)理后直接送到ADC采樣，數(shù)字信號處理器通過光耦隔離發(fā)送信號對ADC芯片進(jìn)行控制和采樣，采樣數(shù)據(jù)再從另外的光耦返回到數(shù)字信號處理器中去，從而實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號的采集。該方案中模擬電壓信號的線性度和精度都較好，但是用到的器件比較多，(至少需要I個(gè)ADC采樣芯片和2個(gè)光耦)，占用體積大，不利于小型化。并且該方案中使用的ADC芯片價(jià)格高，使用的光耦為高速光耦，總體成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對上述變頻器模擬信號隔離輸入成本高的問題，提供一種模擬電壓輸入電路及方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種模擬電壓輸入電路，用于將二次側(cè)的模擬電壓輸入一次側(cè)的數(shù)字信號處理器，包括壓頻轉(zhuǎn)換電路以及光耦；其中所述模擬電壓輸入壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸入端且所述壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到所述光耦的輸入端；所述光耦的輸出端連接到數(shù)字信號處理器的輸入端；所述壓頻轉(zhuǎn)換電路將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)頻率的脈沖信號且該壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號的頻率隨輸入的模擬電壓的值呈線性變化。在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入電路中，所述壓頻轉(zhuǎn)換電路在輸入電壓大于OV時(shí)輸出脈沖信號，所述模擬電壓經(jīng)由加法器電路輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸入端，所述加法器電路用于將輸入電壓提升到OV以上。 在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入電路中，所述壓頻轉(zhuǎn)換電路包括模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151以及設(shè)于該模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸入端的RC濾波電路。在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入電路中，所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第六引腳分別經(jīng)由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經(jīng)由電容Q接地并經(jīng)由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經(jīng)由電阻Rs接地，所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第三引腳輸出脈沖的頻率為Jq=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入電路中，所述電容Cb的電容值為O. Oluf，所述電阻R0的阻值滿足6. 8k Ω < R0 < 680k Ω，所述電容C。的容值滿足0. OOluf < C0 < I. Ouf。 本發(fā)明還提供一種模擬電壓輸入方法，用于將二次側(cè)的模擬電壓輸入一次側(cè)的數(shù)字信號處理器，包括以下步驟(a)將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖信號，所述脈沖信號的頻率隨模擬電壓的值呈線性變化；(b)將所述輸出脈沖輸入光耦的原邊，所述光耦的副邊連接到數(shù)字信號處理器的輸入端。在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入方法中，所述步驟(a)包括將所述模擬電壓的值提升到OV以上并將提升后的模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖信號。在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入方法中，所述步驟(a)中通過壓頻轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模擬電壓與脈沖信號的轉(zhuǎn)換，并通過加法器電路實(shí)現(xiàn)模擬電壓的提升。在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入方法中，所述壓頻轉(zhuǎn)換電路包括模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151，所述模擬電壓輸入端子經(jīng)由RC濾波電路連接到所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸入端。在本發(fā)明所述的模擬電壓輸入方法中，所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第六引腳分別經(jīng)由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經(jīng)由電容Q接地并經(jīng)由電阻％連接到 供電電壓、第2引腳經(jīng)由電阻Rs接地；所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第三引腳輸出脈沖的頻率為Jq=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。本發(fā)明的模擬電壓輸入電路及方法，通過壓頻轉(zhuǎn)換，使得采用普通光耦即可實(shí)現(xiàn)弱電電壓信號至電源側(cè)的輸入，不僅成本較低，而且線性度好。本發(fā)明采用模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151和普通光耦組合，克服了現(xiàn)有方案響應(yīng)時(shí)間慢、超調(diào)的難題，并使得整體成本大幅降低。經(jīng)過測試，本發(fā)明適用于輸入±10V的電壓范圍，線性精度滿足1%的要求。


圖I是本發(fā)明模擬電壓輸入電路第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明模擬電壓輸入電路第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是圖2中壓頻轉(zhuǎn)換電路的示意圖。圖4是本發(fā)明模擬電壓輸入方法實(shí)施例的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明將模擬電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過光耦隔離后送到數(shù)字信號處理器，這樣就完成將二次側(cè)的模擬信號轉(zhuǎn)換成 脈沖信號送到數(shù)字信號處理器端口，數(shù)字信號處理器計(jì)算脈沖信號的頻率，就能實(shí)時(shí)采集到模擬電壓的大小，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。如圖I所示，是本發(fā)明模擬電壓輸入電路第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖，該模擬電壓輸入電路用于將二次側(cè)的模擬電壓輸入到一次側(cè)的數(shù)字信號處理器。在本實(shí)施例中，該模擬電壓輸入電路包括壓頻轉(zhuǎn)換電路11以及光耦12，其中壓頻轉(zhuǎn)換電路11的輸入端接收模擬電壓輸入且該壓頻轉(zhuǎn)換電路11的輸出端連接到光耦12的輸入端。光耦12的輸出端連接到數(shù)字信號處理器13的輸入端。上述壓頻轉(zhuǎn)換電路11將輸入電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)頻率的脈沖信號，并且該壓頻轉(zhuǎn)換電路11輸出的脈沖信號的頻率隨輸入電壓的值呈線性變化。上述電路中利用二次側(cè)的壓頻轉(zhuǎn)換電路11，將模擬電壓按不同的電壓值轉(zhuǎn)換為不同頻率的脈沖信號，并通過光耦12傳遞上述脈沖信號到一次側(cè)，一次側(cè)的數(shù)字信號處理器13根據(jù)采樣到脈沖信號的頻率還原出模擬電壓的大小。上述方案利用數(shù)字隔離實(shí)現(xiàn)模擬電壓輸入的隔離，比直接用模擬信號隔離方案可顯著降低成本。并且與現(xiàn)有采用ADC芯片和光耦組合的方案相較，可大大減小布板面積，有利于單板的小型化。在壓頻轉(zhuǎn)換電路中，若采用的壓頻轉(zhuǎn)換芯片(VFC)僅能實(shí)現(xiàn)OV以上的電壓轉(zhuǎn)換(即只滿足正電壓輸入)，此時(shí)需對輸入壓頻轉(zhuǎn)換芯片的電壓進(jìn)行提升。如圖2所示，是本發(fā)明模擬電壓輸入電路第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。在本實(shí)施例中，除了包括壓頻轉(zhuǎn)換電路22以及光耦23外，還包括用于將輸入電壓提升到OV以上的加法器電路21。模擬電壓經(jīng)加法器電路21進(jìn)行電壓提升后輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路22。壓頻轉(zhuǎn)換電路22輸出的脈沖信號經(jīng)由光耦23輸入到數(shù)字信號處理器24中。通過上述加法器電路21，使得僅能實(shí)現(xiàn)正電壓輸入的壓頻轉(zhuǎn)換芯片可兼容負(fù)電壓的輸入。特別地，如圖3所示，是圖2中壓頻轉(zhuǎn)換電路24的結(jié)構(gòu)示意圖。該壓頻轉(zhuǎn)換電路24包括模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151，且模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸入端設(shè)有RC濾波電路。通過上述RC濾波電路，可在模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151中加入RC濾波時(shí)間，從而解決超調(diào)現(xiàn)象。上述的模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第六引腳分別經(jīng)由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經(jīng)由電容Qj接地并經(jīng)由電阻Rtj連接到供電電壓、第2引腳經(jīng)由電阻Rs接地，所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第三引腳輸出脈沖的頻率為=L=KV1，其中K=O. 486*RS/(RbRqCq),V1為模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸出脈沖的脈寬T=L IRtjCy為了充分發(fā)揮模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的線性優(yōu)勢，可配置模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的工作參數(shù)，以根據(jù)模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151供電電壓和輸出頻率之間的關(guān)系，確保工作電壓的微小變化對輸出頻率影響不大。例如將模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的供電電壓設(shè)置為+14. 25V，此時(shí)模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151工作點(diǎn)落在關(guān)系曲線的平坦區(qū)。在上述壓頻轉(zhuǎn)換電路中，可能出現(xiàn)模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸出脈沖的頻率不能快速跟隨輸入電壓變化等現(xiàn)象。為了解決上述響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)的問題，需要配置模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的工作參數(shù)。其中Cb參數(shù)影響很關(guān)鍵，特別是對輸入輸出的反應(yīng)時(shí)間的影響，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在CB=0. Iuf時(shí)會(huì)出現(xiàn)空段頻率的現(xiàn)象(響應(yīng)不及時(shí)的表現(xiàn))，但與CB=1. Ouf時(shí)出現(xiàn)空段的頻率不同，其僅在輸入電壓瞬間跳變比較大時(shí)出現(xiàn)，即輸入電壓的跳變頻率比較高時(shí)，如50Hz。當(dāng)CB=0. Oluf，在輸入電壓的跳變頻率比較高時(shí)，跳變頻率能達(dá)到1kHz，此時(shí)輸出也不會(huì)出現(xiàn)空段頻率的現(xiàn)象，而且輸出的線性度也非常好，此時(shí)輸出頻率能快速跟蹤輸入電壓的變化，延遲時(shí)間約為1ms。特別地，上述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的設(shè)計(jì)輸出的頻率范圍為2. OkHz 20kHz，在選擇參數(shù)時(shí)，可設(shè)置參數(shù)的約束關(guān)系如下6. 8k Ω < R0 < 680kΩ , O. OOluf < C0 < I. Ouf, CB=0. Oluf。如圖4所示，是本發(fā)明模擬電壓輸入方法實(shí)施例的流程示意圖，該方法用于將二次側(cè)的模擬電壓輸入一次側(cè)的數(shù)字信號處理器。該方法包括以下步驟步驟S41 :將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖信號，其中脈沖信號的頻率隨模擬電壓的值呈線性變化。該步驟中，可通過諸如壓頻轉(zhuǎn)換電路等實(shí)現(xiàn)模擬電壓與脈沖信號的轉(zhuǎn)換。此外，為了使該方法適用于僅能輸入正電壓的壓頻轉(zhuǎn)換芯片，可通過加法器電路對輸入的模擬電壓進(jìn)行提升，也就是將模擬電壓的值提升到OV以上后再輸入壓頻轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號。步驟S42 :將上述輸出脈沖輸入光耦的原邊，該光耦的副邊連接到數(shù)字信號處理器的輸入端。上述壓頻轉(zhuǎn)換電路可采用模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151。特別地，該模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸入端設(shè)有RC濾波電路，從而解決超調(diào)現(xiàn)象。上述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第六引腳分別經(jīng)由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經(jīng)由電容Q接地并經(jīng)由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經(jīng)由電阻Rs接地；模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第三引腳輸出脈沖的頻率為=L=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbRqCq), V1為模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種模擬電壓輸入電路，用于將二次側(cè)的模擬電壓輸入一次側(cè)的數(shù)字信號處理器，其特征在于包括壓頻轉(zhuǎn)換電路以及光耦；其中所述模擬電壓輸入壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸入端且所述壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到所述光耦的輸入端；所述光耦的輸出端連接到數(shù)字信號處理器的輸入端；所述壓頻轉(zhuǎn)換電路將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)頻率的脈沖信號且該壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號的頻率隨輸入的模擬電壓的值呈線性變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬電壓輸入電路，其特征在于所述壓頻轉(zhuǎn)換電路在輸入電壓大于OV時(shí)輸出脈沖信號，所述模擬電壓經(jīng)由加法器電路輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸入端，所述加法器電路用于將輸入電壓提升到OV以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬電壓輸入電路，其特征在于所述壓頻轉(zhuǎn)換電路包括模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151以及設(shè)于該模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸入端的RC濾波電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬電壓輸入電路，其特征在于所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第六引腳分別經(jīng)由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經(jīng)由電容Q接地并經(jīng)由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經(jīng)由電阻Rs接地，所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第三引腳輸出脈沖的頻率為A=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬電壓輸入電路，其特征在于所述電容(；的電容值為O. Oluf，所述電阻Rq的阻值滿足6. 8kQ < Rq < 680kΩ，所述電容C。的容值滿足O.OOluf < C0 < I. Ouf0
6.—種模擬電壓輸入方法，用于將二次側(cè)的模擬電壓輸入一次側(cè)的數(shù)字信號處理器，其特征在于包括以下步驟 Ca)將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖信號，所述脈沖信號的頻率隨模擬電壓的值呈線性變化； (b)將所述輸出脈沖輸入光耦的原邊，所述光耦的副邊連接到數(shù)字信號處理器的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬電壓輸入方法，其特征在于所述步驟(a)包括將所述模擬電壓的值提升到OV以上并將提升后的模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模擬電壓輸入方法，其特征在于所述步驟(a)中通過壓頻轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模擬電壓與脈沖信號的轉(zhuǎn)換，并通過加法器電路實(shí)現(xiàn)模擬電壓的提升。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模擬電壓輸入方法，其特征在于所述壓頻轉(zhuǎn)換電路包括模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151，所述模擬電壓輸入端子經(jīng)由RC濾波電路連接到所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的輸入端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模擬電壓輸入方法，其特征在于所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第六引腳分別經(jīng)由電容Cb及電阻Rb接地、第五引腳經(jīng)由電容Q接地并經(jīng)由電阻％連接到供電電壓、第2引腳經(jīng)由電阻Rs接地；所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第三引腳輸出脈沖的頻率為A=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1為所述模擬電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片NJM4151的第七引腳的輸入電壓的值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種模擬電壓輸入電路，用于將二次側(cè)的模擬電壓輸入一次側(cè)的數(shù)字信號處理器，包括壓頻轉(zhuǎn)換電路以及光耦；其中模擬電壓輸入所述壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸入端且所述壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到所述光耦的輸入端；所述光耦的輸出端連接到數(shù)字信號處理器的輸入端；所述壓頻轉(zhuǎn)換電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)頻率的脈沖信號且該壓頻轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號的頻率隨輸入電壓的值呈線性變化。本發(fā)明還提供一種對應(yīng)的方法。本發(fā)明通過壓頻轉(zhuǎn)換，使得采用普通光耦即可實(shí)現(xiàn)弱電電壓信號至電源側(cè)的輸入，不僅成本較低，而且線性度好。
文檔編號H03K19/14GK102820881SQ20121027638
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者劉東生 申請人:深圳市匯川技術(shù)股份有限公司, 蘇州匯川技術(shù)有限公司, 蘇州默納克控制技術(shù)有限公司