专利名称：模拟电压输入电路及方法
技术领域：
本发明涉及模拟信号输入领域，更具体地说，涉及一种模拟电压输入电路及方法。
背景技术：
在实现变频器的整体功能时，需进行控制信号输入。通常数字信号处理器置于功率电源所在的一次侧，由于一次侧的电源和各种信号是强电信号，因此该侧的信号不满足安规要求。而变频器中的对外端子主要提供给操作者使用，以进行控制指令输入，由于该对外端子人体易接触到，因此必须满足安规 要求。模拟电压输入端子是对外端子的一种，因此一般将其设置在电源的二次侧，该侧属于弱电区，从而使其满足安规要求。因此，为实现模拟电压信号输入且满足安规要求，需将模拟电压信号隔离输入到一次侧的数字信号处理器。通过隔离方案将模拟电压信号输入到一次侧的数字信号处理器，目前主要通过以下两种方案(I)利用线性光耦隔离将模拟电压信号送到数字信号处理器侧即一次侧，数字信号处理器使用ADC采样即可实时得知对外端子的输入模拟电压。模拟电压输入信号在二次侧通过线性光耦的隔离后到达一次侧，既实现了安规上的隔离，又能满足将输入的模拟电压反映到一次侧。上述方案中，信号的线性度和精度都能保证，响应时间小，但是该方案的缺点是线性光耦的成本较高。(2)利用ADC米样芯片和光稱组成隔离方案。该方案中,ADC芯片设于二次侧,光率禹跨接在电源的一次侧和二次侧，并起着隔离和传输数字信号的作用模拟电压信号经过调理后直接送到ADC采样，数字信号处理器通过光耦隔离发送信号对ADC芯片进行控制和采样，采样数据再从另外的光耦返回到数字信号处理器中去，从而实现模拟电压信号的采集。该方案中模拟电压信号的线性度和精度都较好，但是用到的器件比较多，(至少需要I个ADC采样芯片和2个光耦)，占用体积大，不利于小型化。并且该方案中使用的ADC芯片价格高，使用的光耦为高速光耦，总体成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述变频器模拟信号隔离输入成本高的问题，提供一种模拟电压输入电路及方法。本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种模拟电压输入电路，用于将二次侧的模拟电压输入一次侧的数字信号处理器，包括压频转换电路以及光耦；其中所述模拟电压输入压频转换电路的输入端且所述压频转换电路的输出端连接到所述光耦的输入端；所述光耦的输出端连接到数字信号处理器的输入端；所述压频转换电路将输入的模拟电压转换为对应频率的脉冲信号且该压频转换电路输出的脉冲信号的频率随输入的模拟电压的值呈线性变化。在本发明所述的模拟电压输入电路中，所述压频转换电路在输入电压大于OV时输出脉冲信号，所述模拟电压经由加法器电路输入到压频转换电路的输入端，所述加法器电路用于将输入电压提升到OV以上。 在本发明所述的模拟电压输入电路中，所述压频转换电路包括模拟电压/频率转换芯片NJM4151以及设于该模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输入端的RC滤波电路。在本发明所述的模拟电压输入电路中，所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第六引脚分别经由电容Cb及电阻Rb接地、第五引脚经由电容Q接地并经由电阻％连接到供电电压、第2引脚经由电阻Rs接地，所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第三引脚输出脉冲的频率为Jq=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1为所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第七引脚的输入电压的值。在本发明所述的模拟电压输入电路中，所述电容Cb的电容值为O. Oluf，所述电阻R0的阻值满足6. 8k Ω < R0 < 680k Ω，所述电容C。的容值满足0. OOluf < C0 < I. Ouf。 本发明还提供一种模拟电压输入方法，用于将二次侧的模拟电压输入一次侧的数字信号处理器，包括以下步骤(a)将模拟电压转换为脉冲信号，所述脉冲信号的频率随模拟电压的值呈线性变化；(b)将所述输出脉冲输入光耦的原边，所述光耦的副边连接到数字信号处理器的输入端。在本发明所述的模拟电压输入方法中，所述步骤(a)包括将所述模拟电压的值提升到OV以上并将提升后的模拟电压转换为脉冲信号。在本发明所述的模拟电压输入方法中，所述步骤(a)中通过压频转换电路实现模拟电压与脉冲信号的转换，并通过加法器电路实现模拟电压的提升。在本发明所述的模拟电压输入方法中，所述压频转换电路包括模拟电压/频率转换芯片NJM4151，所述模拟电压输入端子经由RC滤波电路连接到所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输入端。在本发明所述的模拟电压输入方法中，所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第六引脚分别经由电容Cb及电阻Rb接地、第五引脚经由电容Q接地并经由电阻％连接到 供电电压、第2引脚经由电阻Rs接地；所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第三引脚输出脉冲的频率为Jq=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1为所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第七引脚的输入电压的值。本发明的模拟电压输入电路及方法，通过压频转换，使得采用普通光耦即可实现弱电电压信号至电源侧的输入，不仅成本较低，而且线性度好。本发明采用模拟电压/频率转换芯片NJM4151和普通光耦组合，克服了现有方案响应时间慢、超调的难题，并使得整体成本大幅降低。经过测试，本发明适用于输入±10V的电压范围，线性精度满足1%的要求。
图I是本发明模拟电压输入电路第一实施例的结构框图。图2是本发明模拟电压输入电路第二实施例的结构框图。图3是图2中压频转换电路的示意图。图4是本发明模拟电压输入方法实施例的流程示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明将模拟电压转换成对应频率的脉冲信号，经过光耦隔离后送到数字信号处理器，这样就完成将二次侧的模拟信号转换成 脉冲信号送到数字信号处理器端口，数字信号处理器计算脉冲信号的频率，就能实时采集到模拟电压的大小，从而进行相应的控制。如图I所示，是本发明模拟电压输入电路第一实施例的结构框图，该模拟电压输入电路用于将二次侧的模拟电压输入到一次侧的数字信号处理器。在本实施例中，该模拟电压输入电路包括压频转换电路11以及光耦12，其中压频转换电路11的输入端接收模拟电压输入且该压频转换电路11的输出端连接到光耦12的输入端。光耦12的输出端连接到数字信号处理器13的输入端。上述压频转换电路11将输入电压转换为对应频率的脉冲信号，并且该压频转换电路11输出的脉冲信号的频率随输入电压的值呈线性变化。上述电路中利用二次侧的压频转换电路11，将模拟电压按不同的电压值转换为不同频率的脉冲信号，并通过光耦12传递上述脉冲信号到一次侧，一次侧的数字信号处理器13根据采样到脉冲信号的频率还原出模拟电压的大小。上述方案利用数字隔离实现模拟电压输入的隔离，比直接用模拟信号隔离方案可显著降低成本。并且与现有采用ADC芯片和光耦组合的方案相较，可大大减小布板面积，有利于单板的小型化。在压频转换电路中，若采用的压频转换芯片(VFC)仅能实现OV以上的电压转换(即只满足正电压输入)，此时需对输入压频转换芯片的电压进行提升。如图2所示，是本发明模拟电压输入电路第二实施例的结构框图。在本实施例中，除了包括压频转换电路22以及光耦23外，还包括用于将输入电压提升到OV以上的加法器电路21。模拟电压经加法器电路21进行电压提升后输入到压频转换电路22。压频转换电路22输出的脉冲信号经由光耦23输入到数字信号处理器24中。通过上述加法器电路21，使得仅能实现正电压输入的压频转换芯片可兼容负电压的输入。特别地，如图3所示，是图2中压频转换电路24的结构示意图。该压频转换电路24包括模拟电压/频率转换芯片NJM4151，且模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输入端设有RC滤波电路。通过上述RC滤波电路，可在模拟电压/频率转换芯片NJM4151中加入RC滤波时间，从而解决超调现象。上述的模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第六引脚分别经由电容Cb及电阻Rb接地、第五引脚经由电容Qj接地并经由电阻Rtj连接到供电电压、第2引脚经由电阻Rs接地，所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第三引脚输出脉冲的频率为=L=KV1，其中K=O. 486*RS/(RbRqCq),V1为模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第七引脚的输入电压的值。模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输出脉冲的脉宽T=L IRtjCy为了充分发挥模拟电压/频率转换芯片NJM4151的线性优势，可配置模拟电压/频率转换芯片NJM4151的工作参数，以根据模拟电压/频率转换芯片NJM4151供电电压和输出频率之间的关系，确保工作电压的微小变化对输出频率影响不大。例如将模拟电压/频率转换芯片NJM4151的供电电压设置为+14. 25V，此时模拟电压/频率转换芯片NJM4151工作点落在关系曲线的平坦区。在上述压频转换电路中，可能出现模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输出脉冲的频率不能快速跟随输入电压变化等现象。为了解决上述响应时间、超调的问题，需要配置模拟电压/频率转换芯片NJM4151的工作参数。其中Cb参数影响很关键，特别是对输入输出的反应时间的影响，经试验发现，在CB=0. Iuf时会出现空段频率的现象(响应不及时的表现)，但与CB=1. Ouf时出现空段的频率不同，其仅在输入电压瞬间跳变比较大时出现，即输入电压的跳变频率比较高时，如50Hz。当CB=0. Oluf，在输入电压的跳变频率比较高时，跳变频率能达到1kHz，此时输出也不会出现空段频率的现象，而且输出的线性度也非常好，此时输出频率能快速跟踪输入电压的变化，延迟时间约为1ms。特别地，上述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的设计输出的频率范围为2. OkHz 20kHz，在选择参数时，可设置参数的约束关系如下6. 8k Ω < R0 < 680kΩ , O. OOluf < C0 < I. Ouf, CB=0. Oluf。如图4所示，是本发明模拟电压输入方法实施例的流程示意图，该方法用于将二次侧的模拟电压输入一次侧的数字信号处理器。该方法包括以下步骤步骤S41 :将模拟电压转换为脉冲信号，其中脉冲信号的频率随模拟电压的值呈线性变化。该步骤中，可通过诸如压频转换电路等实现模拟电压与脉冲信号的转换。此外，为了使该方法适用于仅能输入正电压的压频转换芯片，可通过加法器电路对输入的模拟电压进行提升，也就是将模拟电压的值提升到OV以上后再输入压频转换电路转换为脉冲信号。步骤S42 :将上述输出脉冲输入光耦的原边，该光耦的副边连接到数字信号处理器的输入端。上述压频转换电路可采用模拟电压/频率转换芯片NJM4151。特别地，该模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输入端设有RC滤波电路，从而解决超调现象。上述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第六引脚分别经由电容Cb及电阻Rb接地、第五引脚经由电容Q接地并经由电阻％连接到供电电压、第2引脚经由电阻Rs接地；模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第三引脚输出脉冲的频率为=L=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbRqCq), V1为模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第七引脚的输入电压的值。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种模拟电压输入电路，用于将二次侧的模拟电压输入一次侧的数字信号处理器，其特征在于包括压频转换电路以及光耦；其中所述模拟电压输入压频转换电路的输入端且所述压频转换电路的输出端连接到所述光耦的输入端；所述光耦的输出端连接到数字信号处理器的输入端；所述压频转换电路将输入的模拟电压转换为对应频率的脉冲信号且该压频转换电路输出的脉冲信号的频率随输入的模拟电压的值呈线性变化。
2.根据权利要求I所述的模拟电压输入电路，其特征在于所述压频转换电路在输入电压大于OV时输出脉冲信号，所述模拟电压经由加法器电路输入到压频转换电路的输入端，所述加法器电路用于将输入电压提升到OV以上。
3.根据权利要求2所述的模拟电压输入电路，其特征在于所述压频转换电路包括模拟电压/频率转换芯片NJM4151以及设于该模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输入端的RC滤波电路。
4.根据权利要求3所述的模拟电压输入电路，其特征在于所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第六引脚分别经由电容Cb及电阻Rb接地、第五引脚经由电容Q接地并经由电阻％连接到供电电压、第2引脚经由电阻Rs接地，所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第三引脚输出脉冲的频率为A=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1为所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第七引脚的输入电压的值。
5.根据权利要求4所述的模拟电压输入电路，其特征在于所述电容(；的电容值为O. Oluf，所述电阻Rq的阻值满足6. 8kQ < Rq < 680kΩ，所述电容C。的容值满足O.OOluf < C0 < I. Ouf0
6.—种模拟电压输入方法，用于将二次侧的模拟电压输入一次侧的数字信号处理器，其特征在于包括以下步骤 Ca)将模拟电压转换为脉冲信号，所述脉冲信号的频率随模拟电压的值呈线性变化； (b)将所述输出脉冲输入光耦的原边，所述光耦的副边连接到数字信号处理器的输入端。
7.根据权利要求6所述的模拟电压输入方法，其特征在于所述步骤(a)包括将所述模拟电压的值提升到OV以上并将提升后的模拟电压转换为脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的模拟电压输入方法，其特征在于所述步骤(a)中通过压频转换电路实现模拟电压与脉冲信号的转换，并通过加法器电路实现模拟电压的提升。
9.根据权利要求8所述的模拟电压输入方法，其特征在于所述压频转换电路包括模拟电压/频率转换芯片NJM4151，所述模拟电压输入端子经由RC滤波电路连接到所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的输入端。
10.根据权利要求9所述的模拟电压输入方法，其特征在于所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第六引脚分别经由电容Cb及电阻Rb接地、第五引脚经由电容Q接地并经由电阻％连接到供电电压、第2引脚经由电阻Rs接地；所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第三引脚输出脉冲的频率为A=KV1，其中K=O. 486*RS/ (RbR0C0), V1为所述模拟电压/频率转换芯片NJM4151的第七引脚的输入电压的值。
全文摘要
本发明提供了一种模拟电压输入电路，用于将二次侧的模拟电压输入一次侧的数字信号处理器，包括压频转换电路以及光耦；其中模拟电压输入所述压频转换电路的输入端且所述压频转换电路的输出端连接到所述光耦的输入端；所述光耦的输出端连接到数字信号处理器的输入端；所述压频转换电路将输入电压转换为对应频率的脉冲信号且该压频转换电路输出的脉冲信号的频率随输入电压的值呈线性变化。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过压频转换，使得采用普通光耦即可实现弱电电压信号至电源侧的输入，不仅成本较低，而且线性度好。
文档编号H03K19/14GK102820881SQ20121027638
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者刘东生 申请人:深圳市汇川技术股份有限公司, 苏州汇川技术有限公司, 苏州默纳克控制技术有限公司