数字量模拟量混合输入接口电路的制作方法

1.本技术属于电路应用技术领域，具体涉及一种数字量模拟量混合输入接口电路。


背景技术：

2.用数字信号完成对数字量算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二进制数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。数字电路中研究的主要问题是输出信号的状态(“0”或“1”)和输入信号(“0”或“1”)之间的逻辑关系，即电路的逻辑功能。本技术中主要涉及开关状态
3.模拟电路是指用来对模拟信号进行传输、变换、处理、放大、测量和显示等工作的电路。模拟信号是指连续变化的电信号。模拟电路是电子电路的基础，它主要包括放大电路、信号运算和处理电路、振荡电路、调制和解调电路及电源等。本技术中主要涉及运算和测量。
4.现有技术中，数字输入和模拟输入通常分开，对应的实际常见产品为数字量输入模块和模拟量输入模块。这些模块中，输入端口中同一个端子只能是数字输入或者模拟输入，端口数量及规格确定的情况下，可对接信号类型随之确定。这种技术实现，在面对复杂的工业现场环境的不确定性时，缺乏灵活性，容错性较低，后续需要改动的话，维护更换成本高。
5.上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

6.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种数字量模拟量混合输入接口电路，可实现同一端口既能对接数字量输入，又能对接模拟量输入，从而有助于提高相关应用系统的灵活性和容错性，方便后期整改及维护。
7.为实现以上目的，本技术采用如下技术方案：
8.本技术提供一种数字量模拟量混合输入接口电路，该接口电路包括：模拟电压处理单元电路，数字输入单元电路，以及用于接入外部输入信号的混合输入端子；
9.所述数字输入单元电路包括二极管d1，光耦u1，电阻r1、r2；所述数字输入单元电路中，
10.二极管d1的阴极端连接所述混合输入端子的第一端子，二极管d1的阳极端通过电阻r1连接光耦u1二极管侧的输出端，光耦u1三极管侧的集电极端连接数字电源，光耦u1三极管侧的射电极端通过电阻r2接地；
11.光耦u1二极管侧的输入端用于连接切换信号端，光耦u1三极管侧的射电极端还用于连接后级电路的数字输入端；
12.所述混合输入端子的第二端子接地，所述混合输入端子的第一端子还与所述模拟电压处理单元电路的输入端相连接，所述模拟电压处理单元电路的输出端用于连接后级电路的模拟输入端。
13.可选地，所述模拟电压处理单元电路包括运算放大器u2，电阻r3、r4、r5、r6；所述模拟电压处理单元电路中，
14.电阻r3的一端作为该单元电路的输入端，电阻r3的另一端连接运算放大器u2的同相输入端、以及通过电阻r4接地，运算放大器u2的反相输入端通过电阻r5接地、以及通过电阻r6连接运算放大器u2的输出端，运算放大器u2的输出端还作为该单元电路的输出端；
15.所述模拟电压处理单元电路中，运算放大器u2由模拟电源提供工作电压。
16.可选地，所述二极管d1为通用二极管，导通压降为1v。
17.可选地，所述通用二极管的型号为1n4148w。
18.可选地，所述运算放大器u2的型号为lm2904。
19.可选地，所述光耦u1为隔离光耦。
20.可选地，所述隔离光耦的型号为ps2801
‑
1。
21.可选地，所述数字电源为3.3v电源，所述模拟电源为15v电源。
22.可选地，所述后级电路为基于单片机的控制电路，该单片机的第一通用输入输出口作为所述切换信号端，该单片机的第二通用输入输出口作为电路的数字输入端，该单片机的模拟数字转换口作为电路的模拟输入端。
23.可选地，所述后级电路还包括用于显示接口电路工作状态的显示屏，所述显示屏通过串口与所述单片机电连接。
24.本技术采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
25.本技术中的数字量模拟量混合输入接口电路通过具体的电路结构实现了混合输入功能。采用该接口电路，可以实现同一端口既能对接干接点数字输入信号，又能对接相应电压范围的模拟量输入信号，从而使应用该接口电路的电路系统的应用方式更灵活，容错性强，便于后期整改及维护。
26.本实用新型的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
27.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
28.图1为本技术一个实施例提供的数字量模拟量混合输入接口电路的原理示意图。
具体实施方式
29.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基
于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本技术所保护的范围。
30.为便于理解本技术的技术方案，这里先对方案涉及的一下相关知识进行简要介绍：
31.a、干接点信号：干接点是一种电气开关，具有闭合和断开两个状态。干接点两个接点间没有极性，可以互换。本技术中主要指传感器的输出。
32.b、工业控制输入输出模拟量：输入输出相同范围，电压型通常为0
‑
10v；电流型通常为4
‑
20ma。
33.c、光耦：光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(ssr)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
34.d、运算放大器：运放(operational amplifier,简称opa)能对信号进行数学运算的放大电路。它曾是模拟计算机的基础部件，因而得名。采用集成电路工艺制做的运算放大器，除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外，还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点，因而在有源滤波器、开关电容电路、数
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模和模
‑
数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换，以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。虚短和虚断是常用的运放分析方法，“虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。虚断指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零，是虚假开路的简称。
35.实施例一
36.该实施例中，如图1所示，本技术提出的数字量模拟量混合输入接口电路，包括：模拟电压处理单元电路(图1中下侧虚线框部分)，数字输入单元电路(图1中上侧虚线框部分)，以及用于接入外部输入信号的混合输入端子p1；
37.数字输入单元电路包括二极管d1(这里的二极管为通用二极管，导通压降为1v，例如具体采用型号为1n4148w的二极管)，光耦u1，电阻r1、r2；数字输入单元电路中，
38.二极管d1的阴极端连接混合输入端子的第一端子，二极管d1的阳极端通过电阻r1连接光耦u1二极管侧的输出端，光耦u1三极管侧的集电极端连接数字电源(举例而言，数字电源为3.3v电源)，光耦u1三极管侧的射电极端通过电阻r2接地；
39.光耦u1二极管侧的输入端用于连接切换信号端，光耦u1三极管侧的射电极端还用于连接后级电路的数字输入端；
40.混合输入端子p1的第二端子接地，混合输入端子p1的第一端子还与模拟电压处理单元电路的输入端相连接，模拟电压处理单元电路的输出端用于连接后级电路的模拟输入端。
41.作为一种具体的实施方式，该实施例中，如图1所示，模拟电压处理单元电路包括运算放大器u2(举例而言，运算放大器u2的型号为lm2904，可采用ti公司生产的产品)，电阻r3、r4、r5、r6；模拟电压处理单元电路中，
42.电阻r3的一端作为该单元电路的输入端，电阻r3的另一端连接运算放大器u2的同相输入端、以及通过电阻r4接地，运算放大器u2的反相输入端通过电阻r5接地、以及通过电
阻r6连接运算放大器u2的输出端，运算放大器u2的输出端还作为该单元电路的输出端；
43.需要说明的是，模拟电压处理单元电路中，运算放大器u2由模拟电源提供工作电压(举例而言，模拟电源为15v电源)。
44.为进一步理解本技术中的数字量模拟量混合输入接口电路，下面对该接口电路的工作原理做一下介绍。
45.举例而言，混合输入端子p1用于对接外部的传感器输出，接入的外部输入信号包含干接点信号和模拟量0
‑
10v电压输入信号。
46.切换信号端接入低电平信号，接口电路处于模拟输入工作状态，输入电压信号0
‑
10v。切换信号端的低电平信号作用于光耦u1的二极管侧的输入端，光耦u1的二极管部分不导通，进而三极管不导通，数字输入单元电路的输出总是低电平，相当于无输出；而模拟电压处理单元电路为工作状态，输出电压uo与输入电压ui关系为：uo＝r4/(r3 r4)*ui，uo通过该单元电路的输出端向后级电路输出，从而实现模拟量输入(对后级电路而言)。
47.而当切换信号端接入高电平信号时，接口电路处于数字输入工作状态；此时外部传感器输出的干接点信号为关时，光耦u1二极管部分导通，三极管部分也随之导通，数字输入单元电路的输出为高电平；而当外部传感器输出的干接点信号为开时，光耦u1二极管部分断路不导通，三极管部分也不导通，数字输入单元电路的输出被r2拉低，为低电平；这样相当于干接点信号被输出到后级电路，从而实现了数字量输入(对后级电路而言)。
48.容易理解的是，该实施例中接口电路中的电阻r1起限流作用；电阻r2起电压转换作用，用于把射极的电流转换为表示高电平的电压；举例而言，当数字电源为3.3v电源，u1具体采用隔离光耦ps2801
‑
1时，电阻r1的阻值为1k，电阻r2的阻值为4.7k。
49.而为配合模拟量0
‑
10v的电压输入信号，模拟电源可采用15v电源，电阻r3＝r5＝33k，r4＝r6＝10k。基于运放的虚短虚断原理进行推导，可知up＝un，up＝ui*r4/(r3 r4)，un＝uo*r5/(r5 r6)；进而可得uo＝ui/3.3，ui范围为0～10v的时候，ui范围包含在3.3v以内，符合后级电路的adc输入要求。
50.本技术中的数字量模拟量混合输入接口电路通过具体的电路结构实现了混合输入功能，采用该接口电路，可以实现同一端口既能对接干接点数字输入信号，又能对接相应电压范围的模拟量输入信号，从而使应用该接口电路的电路系统的应用方式更灵活，容错性强，便于后期整改及维护。
51.实施例二
52.在实施例一的基础上，该实施例中，如图1所示，后级电路为基于单片机(mcu)的控制电路，该单片机的第一通用输入输出口gpio1作为切换信号端，该单片机的第二通用输入输出口gpio2作为电路的数字输入端，该单片机的模拟数字转换口adc_in1作为电路的模拟输入端。换言之，可通过控制配置gpio1的输出电平，实现数字量输入和模拟量输入的切换。
53.作为一种具体的实施方式，后级电路还包括用于显示接口电路工作状态的显示屏(图1中右下功能示意块)，该显示屏通过串口与单片机mcu电连接。基于mcu的具体程序配置，当gpio1输出低电平时，显示屏上显示“数字输入状态为关，模拟输入状态为开”，而当gpio1输出高电平时，显示屏上显示“数字输入状态为开，模拟输入状态为关”。
54.需要说明的是，该实施例中关于mcu的具体程序配置的相关描述，仅是为了说明本接口电路在具体应用场景下应用实现的原理，本技术要保护的技术方案并不涉及相关原理
和方法的改进。
55.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。