一种远程交直流开关信号匹配器的制作方法

1.本发明涉及电气控制领域，特别是涉及一种远程交直流开关信号匹配器，适用于匹配直流或交流参考信号来表征开关通断的远程转换电路。


背景技术：

2.在电气控制领域，机械开关或等效机械开关的电器运用广泛，经过线路连接在电路中，其通断动作可以产生相关的控制信号给指示器或控制器，线路是信号传输的通道和媒介，因此精准、可靠的开关通断信号传输至关重要。
3.发明人在实现本发明实施例过程中发现：若机械开关或等效机械开关功能的电器与指示器或控制器之间线路较短，采用金属导线传输开关通断信号可以方便地达到精准、可靠目标；然而，用在几十米至数百米的线路中，信号传输的表现往住杂乱无章，难以正常运行；究其原因，主要有两个方面，第一个，长距离线路在信号传输过程中，必定要考虑到其等效阻阬，线路的等效阻抗与线路长度成正比，机械开关或等效机械开关的电器触点在闭合时均有接触阻抗，若线路等效阻抗远大于触点的接触阻抗，根据分压原理，此时在机械开关或等效机械开关的电器触点上的压降可以忽略不计，与其断开时，在指示器或控制器输入端测得的电压幅值几乎无异，即其通断状态无法区分，线路无法准确地传输开关通断信号；第二个，在有外界电磁干扰下，线路等效阻抗越大，线路越长容易被动地产生感应电压，越容易受到外界的差模干扰或共模干扰，即线路上会产生无序的开关通断信号，由此会导致信号指示紊乱、控制器误动作的不良后果。
4.因此，当前在电气控制领域缺少一种远程交直流开关信号匹配装置。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种远程交直流开关信号匹配器，适用于匹配直流或交流参考信号来表征开关通断的远程转换电路。
6.本发明所采用的技术方案是：包括输入端switch_in、输出端switch_out、参考信号输入端vref和交直流开关信号匹配模块；所述输入端switch_in有一对接线端子，主要用于连接机械开关或等效机械开关的电器；所述输出端switch_out连接用于接收匹配直流或交流参考信号来表征开关通断的指示器或控制器；所述参考信号输入端vref用于匹配直流或交流参考信号，需要以高低电平变化来表征开关通断时，则匹配直流参考信号；需要以交流波形通断来表征开关通断时，则匹配交流参考信号；所述交直流开关信号匹配模块，用于接收所述输入端switch_in和所述参考信号输入端vref的信号，经过电路转换后，变为相应的信号发送至所述输出端switch_out；其中所述交直流开关信号匹配模块包括交直流恒流源、假负载和调整电阻，交直流恒流源的输入端连接所述参考信号输入端vref，交直流恒流源的输出端分别连接所述输入端switch_in的一端和假负载的一端，假负载的另一端分别连接交直流恒流源gnd、调整电阻
的一端和所述输出端switch_out的一端，所述输入端switch_in的另一端分别连接调整电阻的另一端和所述输出端switch_out的另一端，调整电阻用于调节所述输出端switch_out输出信号的幅度。
7.由于交直流恒流源、线路、机械开关或等效机械开关的电器和调整电阻构成的回路，可以不受线路阻阬的影响，除了机械开关或等效机械开关的电器断开不会有电流外，只要机械开关或等效机械的电器闭合，该回路必定流过电流，通过检测在调整电阻上是否有电流流过，即根据在其上是否产生压降，就可以准确地反映机械开关或等效机械开关的电器通断，最终实现了开关通断信号的传输；另外，交直流恒流源和假负载构成的另外的一条回路，是为交直流恒流源提供的开路保护。
8.进一步地，所述假负载为固定电阻或可调电阻，还可为等效固定电阻或等效可调电阻功能的电子负载。
9.进一步地，所述调整电阻为固定电阻或可调电阻，还可为等效固定电阻或等效可调电阻功能的电子负载。
10.进一步地，所述交直流恒流源为运算放大器组成的电路。
11.进一步地，所述交直流恒流源包括运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、恒流预置电阻rs和可调电阻rt；电阻r5为所述假负载，可调电阻rt为所述调整电阻；其中，运算放大器u1的同相输入端u1a连接所述参考信号输入端vref，运算放大器u1的反相输入端u1b分别连接运算放大器u1的输出端和电阻r3的一端，电阻r3的另一端分别连接电阻r4的一端和运算放大器u2的同相输入端u2a；运算放大器u2的反相输入端u2b分别连接电阻r1的一端和电阻r2的一端，电阻r1的另一端接交直流恒流源gnd；电阻r2的另一端分别连接运算放大器u2的输出端和恒流预置电阻rs的一端；恒流预置电阻rs的另一端分别连接电阻r5的一端、所述输入端switch_in的一端和运算放大器u3的同相输入端u3a，运算放大器u3的反相输入端u3b分别连接运算放大器u3的输出端和电阻r4的另一端；所述输入端switch_in的另一端分别连接可调电阻rt的一端和所述输出端switch_out的一端；所述输出端switch_out的另一端分别连接可调电阻rt的另一端、电阻r5的另一端和交直流恒流源gnd。
12.进一步地，在所述参考信号输入端vref之前依次连接一级降压模块和一个降压模块信号输入端vref-in，用于降低参考信号的电压幅度。
13.进一步地，所述降压模块为一个三端可调电阻，其一个固定端连接降压模块信号输入端vref-in，另一个固定端连接交直流恒流源gnd，而其可调端连接参考信号输入端vref。
14.本发明的有益效果是，本发明提供的一种远程交直流开关信号匹配器，采用交直流恒流源不受串联阻抗大小影响的技术，不仅适合交流控制，还适合直流控制；不仅适合近程线路使用，还特别适合远程线路使用；不但克服了现有技术无法长距离传输开关通断信号缺陷，而且增加了一种在长距离传输过程中防止外界电磁干扰的技术手段。
附图说明
15.图1为现有技术远程开关应用示意图。
16.图2为本发明一种远程交直流开关信号匹配器典型示意图。
17.图3为假负载和调整电阻的等效示意图。
18.图4为本发明一种远程交直流开关信号匹配器一个实施例。
19.图5为降压模块示意图。
20.图6为降压模块的一个实施例。
21.图7为参考信号输入端vref匹配直流信号时，输出端switch_out的输出波形图。
22.图8为参考信号输入端vref匹配交流信号时，输出端switch_out的输出波形图。
具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
24.如图1，为现有技术远程开关应用示意图，可以看出，长距离线路在信号传输过程中，必定要考虑到其等效阻阬r，线路的等效阻抗r与线路长度成正比，机械开关或等效机械开关的电器触点在闭合时均有接触阻抗，若线路等效阻抗r远大于触点的接触阻抗，根据分压原理，此时在机械开关或等效机械开关的电器触点上的压降可以忽略不计，与其断开时，在指示器或控制器输入端测得的电压幅值几乎无异，即其通断状态无法区分，线路无法准确地传输开关通断信号；另外，在有外界电磁干扰下，线路等效阻抗r越大，线路越长容易被动地产生感应电压，越容易受到外界的差模干扰或共模干扰，即线路上会产生无序的开关通断信号，最终会导致产生相应地误动作的严重后果。
25.如图2，为本发明一种远程交直流开关信号匹配器典型示意图，包括输入端switch_in、输出端switch_out、参考信号输入端vref和交直流开关信号匹配模块；所述输入端switch_in有一对接线端子，主要用于连接机械开关或等效机械开关的电器；所述输出端switch_out连接用于接收匹配直流或交流参考信号来表征开关通断的指示器或控制器；所述参考信号输入端vref用于匹配直流或交流参考信号，需要以高低电平变化来表征开关通断时，则匹配直流参考信号；需要以交流波形通断来表征开关通断时，则匹配交流参考信号；所述交直流开关信号匹配模块，用于接收所述输入端switch_in和所述参考信号输入端vref的信号，经过电路转换后，变为相应的信号发送至所述输出端switch_out；其中所述交直流开关信号匹配模块包括交直流恒流源、假负载和调整电阻，交直流恒流源的输入端连接所述参考信号输入端vref，交直流恒流源的输出端分别连接所述输入端switch_in的一端和假负载的一端，假负载的另一端分别连接交直流恒流源gnd、调整电阻的一端和所述输出端switch_out的一端，所述输入端switch_in的另一端分别连接调整电阻的另一端和所述输出端switch_out的另一端，调整电阻用于调节所述输出端switch_out输出信号的幅度。
26.由于交直流恒流源、线路、机械开关或等效机械开关的电器和调整电阻构成的回路，可以不受线路阻阬的影响，除了机械开关或等效机械开关的电器断开不会有电流外，只要机械开关或等效机械的电器闭合，该回路必定流过电流，通过检测在调整电阻上是否有
电流流过，即根据在其上是否产生压降，就可以准确地反映机械开关或等效机械开关的电器通断，最终实现了开关通断信号的传输；另外，交直流恒流源和假负载构成的另外的一条回路，是为交直流恒流源提供的开路保护。
27.如图3，为假负载和调整电阻的等效示意图，假负载和调整电阻为固定电阻或可调电阻，还可为等效固定电阻或等效可调电阻功能的电子负载。
28.如图4，为本发明一种远程交直流开关信号匹配器一个实施例,所述交直流恒流源为运算放大器组成的电路，所述交直流恒流源包括运算放大器u1、运算放大器u2、运算放大器u3、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、恒流预置电阻rs和可调电阻rt；电阻r5为所述假负载，可调电阻rt为所述调整电阻；其中，运算放大器u1的同相输入端u1a连接所述参考信号输入端vref，运算放大器u1的反相输入端u1b分别连接运算放大器u1的输出端和电阻r3的一端，电阻r3的另一端分别连接电阻r4的一端和运算放大器u2的同相输入端u2a；运算放大器u2的反相输入端u2b分别连接电阻r1的一端和电阻r2的一端，电阻r1的另一端接交直流恒流源gnd；电阻r2的另一端分别连接运算放大器u2的输出端和恒流预置电阻rs的一端；恒流预置电阻rs的另一端分别连接电阻r5的一端、所述输入端switch_in的一端和运算放大器u3的同相输入端u3a，运算放大器u3的反相输入端u3b分别连接运算放大器u3的输出端和电阻r4的另一端；所述输入端switch_in的另一端分别连接可调电阻rt的一端和所述输出端switch_out的一端；所述输出端switch_out的另一端分别连接可调电阻rt的另一端、电阻r5的另一端和交直流恒流源gnd。
29.运算放大器u1为电压跟随器电路，用以提高输入阻抗，降低输出阻抗，减少信号的失真；运算放大器u3也为电压跟随器电路，保证运算放大器u2输出电流i0几乎完全流到负载，使其恒流的效果更好，并且能够稳定电路中的参数；电路中的输出电流i0与输入电压ui的关系推导如下：设置电阻r1＝r2＝r3＝r4
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(1)因为运算放大器u3为电压跟随器接法，则有u02＝u3a
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(2)根据叠加原理，则运算放大器u2为同相比例放大器，则代入上式可得u01＝u3a ui
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(5)根据虚断原理，则有根据上式可知，当恒流预置电阻rs一定时，输出电流与输入信号具有一定线性关系，与其它负载阻抗值无关；若输入信号ui一定时，输出电流i0恒定；
另外，因为运算放大器u3为电压跟随器接法，则有vref＝ui
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(7)代入公式(6)，则有即参考信号输入端vref一定时，则输出电流i0恒定。
30.因此，通过预置好本实施例的直流恒流源输出电流i0，可按外接的机械开关或等效机械开关的电器是否闭合或断开来区分，就会有两种电流流通情况：第一种电流流通情况，当机械开关或等效机械开关的电器闭合时，交直流恒流源输出电流i0会有两条电流回路，分别为电流回路i1和电流回路i2，其中电流回路是由交直流恒流源、电阻r5恒流电源gnd；而电流回路i2是由交直流恒流源、机械开关或等效机械开关的电器、可调电阻rt到恒流电源gnd，并会在可调电阻rt上产生压降，通过调节可调电阻rt的阻抗大小，就可以调到合适的高电平电压幅度，可以表征出机械开关或等效机械开关的电器闭合的工作状态；第二种电流流通情况，当机械开关或等效机械开关的电器断开时，交直流恒流源输出电流i0只会有一条电流回路，即由交直流恒流源、电阻r5恒流电源gnd，相对于第一种电流流通情况来说，仅为电流回路i1，这一回路是防止交直流恒流源开路保护而设置的，此时由于电流回路i2没有构成电流通路，可调电阻rt上的电压降为零，可以表征出机械开关或等效机械开关的电器断开的工作状态。
31.如图5，为降压模块示意图，在所述参考信号输入端vref之前依次连接一级降压模块和一个降压模块信号输入端vref-in，用于降低参考信号的电压幅度。
32.如图6，为降压模块的一个实施例，所述降压模块为一个三端可调电阻，其一个固定端连接降压模块信号输入端vref-in，另一个固定端连接交直流恒流源gnd，而其可调端连接参考信号输入端vref。。
33.如图7，为参考信号输入端vref匹配直流信号时，输出端switch_out的输出波形图，可以看出，在匹配直流参考信号加入至参考信号输入端vref时，是以高低电平变化来表征开关通断。
34.如图8，为参考信号输入端vref匹配交流信号时，输出端switch_out的输出波形图，可以看出，在匹配交流参考信号加入至参考信号输入端vref时，是以交流波形有无来表征开关通断。