一种电压自适应的数字量检测装置的制作方法

1.本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电压自适应的数字量检测装置。


背景技术：

2.数字量检测装置在轨道交通、工业及其他控制领域中是一个重要的组成部分。控制系统以接收数字量检测装置的输出状态作为触发信号，由控制系统发出相应的指令控制相应设备的运行、停止等动作情况。
3.首先，现有的数字量检测装置都是在已知数字量电压范围的情况下，根据实际需求进行不同的电路板卡更换，以便对相应的数字量进行检测。因此,实际的产品种类繁多、成本高、维护不便等等问题。
4.其次，产品多经防反二极管进行接线端的防反保护，实际使用时操作人员无法及时判断是电路板故障还是接线错误导致数字量无法正常被检测。
5.再次，在信号进行隔离状态转换时，经常出现因过流原因导致器件损坏，进而增加产品故障率。
6.最后，由于产品的实际工况环境较为复杂，产品通常会因为所处环境的脉冲群、浪涌冲击等电磁干扰因素致使数字量检测装置损坏。
7.目前尚未有电路设计能够解决上述的问题，因此一种能够对输入电压范围进行自适应处理的数字量检测装置具有重要意义。


技术实现要素：

8.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，即以往采用更换电路板卡进行不同数字量检测方案相比，提供一种电压自适应的数字量检测装置，实现在一种电路板卡中完成电路切换，电路结构简单，成本更低。
9.为实现上述目的，本发明提供了一种电压自适应的数字量检测装置，所述数字量检测装置包括：反向检测电路模块、脉冲群防护电路模块、切换电路模块和过流防护电路模块；
10.所述反向检测电路模块用于对数字量输入进行检测，当所述数字量输入正向接入所述反向检测电路模块时，所述反向检测电路模块通过反向检测第一支路输出第一检测指示信号，当所述数字量输入反向接入所述反向检测电路模块时，所述反向检测电路模块通过反向检测第二支路输出第二检测指示信号；
11.所述脉冲群防护电路模块用于消除数字量输入的干扰信号，输出消除干扰后的输入电信号；
12.所述切换电路模块用于根据所述消除干扰后的输入电信号的电压，以第一支路或第二支路进行传输；
13.所述过流防护电路模块，用于检测传输后的输入电信号的电流是否超过设定阈值，当不超过设定阈值时，所述过流防护电路模块输出第一电平信号，当超过设定阈值时，
所述过流防护电路模块输出第二电平信号。
14.优选的，所述反向检测电路模块包括：4个二极管和2个发光二极管；
15.数字量输入第一端口与第一二极管的正极连接，第一二极管的负极与第一发光二极管的正极连接，第一发光二极管的负极与所述脉冲群防护电路模块的输入第一端口连接；所述脉冲群防护电路模块的输入第二端口与第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述数字量输入第二端口连接；所述第一二极管、第一发光二极管和第二二极管构成所述反向检测第一支路；
16.数字量输入第一端口与第三二极管的正极连接，第三二极管的负极与第二发光二极管的正极连接，第二发光二极管的负极与所述脉冲群防护电路模块的输入第一端口连接；所述脉冲群防护电路模块的输入第二端口与第四二极管的正极连接，所述第四二极管的负极与所述数字量输入第二端口连接；所述第三二极管、第二发光二极管和第四二极管构成所述反向检测第二支路；
17.当所述数字量输入正向接入所述反向检测电路模块时，所述反向检测第一支路导通，所述反向检测第二支路断路，所述第一发光二极管输出所述第一检测指示信号；
18.当所述数字量输入反向接入所述反向检测电路模块时，所述反向检测第一支路断路，所述反向检测第二支路导通，所述第二发光二极管输出所述第二检测指示信号。
19.优选的，所述脉冲群防护电路模块包括：3个稳压二极管、2个压敏电阻、2个场效应管和3个电阻；
20.第一压敏电阻的一端与所述反向检测电路模块的输出端连接，另一端接地；
21.所述反向检测电路模块的输出端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端与第一稳压二极管的负极连接，所述第一稳压二极管的正极与第二稳压二极管的负极连接，所述第二稳压二极管的正极接地；
22.所述第一稳压二极管的正极与第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的漏极与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与所述反向检测电路模块的输出端连接，所述第一场效应管的源极接地；
23.所述第一场效应管的漏极与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端与第二场效应管的栅极连接，所述第二场效应管的漏极与第二压敏电阻的一端连接，所述第二压敏电阻的另一端与所述反向检测电路模块的输出端连接，所述第二场效应管的源极接地；
24.第三稳压二极管的负极与所述第二场效应管的栅极连接，第三稳压二极管的正极接地；
25.所述数字量输入的电压为第一电压或第二电压；其中，所述第一电压分别大于等于第一压敏电阻、第一稳压二极管和第二稳压二极管的击穿电压；所述第二电压分别小于第一压敏电阻、第一稳压二极管和第二稳压二极管的击穿电压，且大于等于第二压敏电阻的击穿电压；
26.当数字量输入的电压为第一电压时，所述第一压敏电阻被击穿导通，通过所述第一压敏电阻所在对地支路消除数字量输入的干扰信号；第一稳压二极管和第二稳压二极管击穿导通，第一场效应管的栅极电压为第二稳压二极管的钳位电压，第一场效应管的栅源电压大于门限电压，第一场效应管导通，第二场效应管的栅源电压小于门限电压，第二场效应管断开，第二压敏电阻不工作；
27.当数字量输入的电压为第二电压时，所述第一压敏电阻不导通；所述第一稳压二极管和第二稳压二极管不导通，第一场效应管的栅源电压小于门限电压，第一场效应管断开，第二场效应管的栅极电压为第二电压，第二场效应管的栅源电压大于门限电压，第二场效应管导通，所述第二压敏电阻被击穿导通，通过所述第二压敏电阻所在对地支路消除数字量输入的干扰信号。
28.进一步优选的，所述脉冲群防护电路模块还包括：3个电容；
29.第一电容的一端与第一稳压二极管的负极连接，另一端接地；
30.第二电容的一端与第二稳压二极管的负极连接，另一端接地；
31.第三电容的一端与第三稳压二极管的负极连接，另一端接地。
32.进一步优选的，所述第一场效应管和第二场效应管均为nmos管。
33.优选的，所述切换电路模块包括：2个稳压二极管、2个场效应管和6个电阻和2个发光二极管；
34.所述脉冲群防护电路模块的输出端与第四电阻的一端连接，第四电阻的另一端与第四稳压二极管的负极连接，第四稳压二极管的正极与第五稳压二极管的负极连接，第五稳压二极管的正极接地；
35.第三场效应管的栅极与第五电阻的一端连接，第五电阻的另一端与第四稳压二极管的负极连接，第三场效应管的源极与所述脉冲群防护电路模块的输出端连接，第三场效应管的漏极与第六电阻连接，第六电阻的另一端与第四场效应管的栅极连接；
36.第四场效应管的源极与所述脉冲群防护电路模块的输出端连接，第四场效应管的漏极与第三发光二极管的正极连接，第三发光二极管的负极与第七电阻的一端连接，第七电阻的另一端接地；所述第四场效应管、第三发光二级管和第七电阻构成第一支路；
37.第三场效应管的漏极与第四发光二极管的正极连接，第四发光二极管的负极与第八电阻的一端连接，第八电阻的另一端接地；所述第三场效应管、第四发光二级管和第八电阻构成第二支路；
38.所述数字量输入的电压为第一电压或第二电压；其中，所述第一电压分别大于等于第四稳压二极管的击穿电压、第五稳压二极管的击穿电压；所述第二电压分别小于第四稳压二极管的击穿电压、第五稳压二极管的击穿电压；
39.当数字量输入的电压为第一电压时，第四稳压二极管和第五稳压二极管击穿导通，第三场效应管的栅极电压为第四稳压二极管的钳位电压，第三场效应管的源级电压为第一电压，第三场效应管的源栅电压大于门限电压，第三场效应管导通，第四场效应管的栅源电压小于第四场效应管的门限电压，第四场效应管断开，所述第四发光二极管输出第一电压指示信号；
40.当数字量输入的电压为第二电压时，第四稳压二极管和第五稳压二极管未击穿断开，第三场效应管的源极电压和栅极电压相等，第三场效应管的栅源电压小于门限电压，第三场效应管断开，第四场效应管的源极电压为第一电压，第四场效应管的源栅电压大于门限电压，第四场效应管导通，所述第三发光二极管输出第二电压指示信号；
41.进一步优选的，所述切换电路模块还包括：2个电容；
42.第四电容的一端与所述脉冲群防护电路模块的输出端连接，另一端接地；
43.第五电容的一端与所述第四稳压二极管的负极连接，另一端接地。
44.进一步优选的，所述第三场效应管和第四场效应管均为pmos管。
45.优选的，所述过流防护电路模块包括：光耦合器、三极管和3个电阻；
46.三极管的集电极与所述切换电路模块的输出端连接，发射极接地，基极与光耦合器的第一输入端连接；
47.所述光耦合器的第二输入端与三极管的集电极连接，所述光耦合器的电源端与电源连接，所述光耦合器的输出端串联第十电阻后与电源连接，所述光耦合器的接地端串联第十一电阻后接地；所述光耦合器的第二输入端与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端接地；
48.当传输后的输入电信号的电流不超过设定阈值时，所述光耦合器的第二输入端的电压小于三极管的发射结电压，三极管不导通，电流通过光耦合器，所述过流防护电路模块的输出端输出第一电平信号；
49.当传输后的输入电信号的电流超过设定阈值时，所述光耦合器的第二输入端的电压大于三极管的发射结电压，三极管导通，电流通过光耦合器和三极管，所述过流防护电路模块输出第二电平信号。
50.进一步优选的，所述三极管为npn型三极管。
51.本发明实施例提供的数字量检测装置，可以直观的反馈是否有接线错误；使用压敏电阻防护器件进行脉冲群等电磁干扰的防护处理；采用mos管互锁的原理，利用两个分支电路中的开关管不能同时导通的特性，完成不同数字量输入的电路切换；通过增加三极管及电阻的方式，对光耦合器原边侧的二极管进行过流保护；与以往采用更换电路板卡进行不同数字量检测方案相比，本发明实现在一种电路板卡中完成电路切换，电路结构简单，成本更低。
附图说明
52.图1为本发明实施例提供的数字量检测装置的结构示意图；
53.图2为本发明实施例提供的总电路示意图；
54.图3为本发明实施例提供的反向检测电路模块的电路示意图；
55.图4为本发明实施例提供的脉冲群防护电路模块的电路示意图；
56.图5为本发明实施例提供的切换电路模块的电路示意图；
57.图6为本发明实施例提供的过流防护电路模块的电路示意图。
具体实施方式
58.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
59.本发明提供的数字量检测装置，可以直观的反馈是否有接线错误；使用压敏电阻防护器件进行脉冲群等电磁干扰的防护处理；采用mos管互锁的原理，利用两个分支电路中的开关管不能同时导通的特性，完成不同数字量输入的电路切换；通过增加三极管及电阻的方式，对光耦合器原边侧的二极管进行过流保护；与以往采用更换电路板卡进行不同数字量检测方案相比，本发明实现在一种电路板卡中完成电路切换，电路结构简单，成本更低。
60.图1为本发明实施例提供的数字量检测装置的结构示意图，图2为本发明实施例提
供的总电路示意图，以下结合图1和图2对本发明技术方案进行详述。
61.如图1和图2所示，数字量检测装置包括：反向检测电路模块100、脉冲群防护电路模块200、切换电路模块300和过流防护电路模块400。
62.反向检测电路模块100用于对数字量输入进行检测，当数字量输入正向接入反向检测电路模块100时，反向检测电路模块100通过反向检测第一支路输出第一检测指示信号，当数字量输入反向接入反向检测电路模块100时，反向检测电路模块100通过反向检测第二支路输出第二检测指示信号。
63.脉冲群防护电路模块200用于消除数字量输入的干扰信号，输出消除干扰后的输入电信号。
64.切换电路模块300用于根据消除干扰后的输入电信号的电压，以第一支路或第二支路进行传输。
65.过流防护电路模块400，用于检测传输后的输入电信号的电流是否超过设定阈值，当不超过设定阈值时，过流防护电路模块400输出第一电平信号，第一电平信号是高电平信号；当超过设定阈值时，过流防护电路模块400输出第二电平信号，第二电平信号是低电平信号。
66.图3为本发明实施例提供的反向检测电路模块100的电路示意图，如图3所示，反向检测电路模块100包括：4个二极管和2个发光二极管。
67.数字量输入第一端口与第一二极管d1的正极连接，第一二极管d1的负极与第一发光二极管led1的正极连接，第一发光二极管led1的负极与脉冲群防护电路模块200的输入第一端口连接。脉冲群防护电路模块200的输入第二端口与第二二极管d2的正极连接，第二二极管d2的负极与数字量输入第二端口连接。第一二极管d1、第一发光二极管led1和第二二极管d2构成反向检测第一支路。数字量输入第一端口与第三二极管d3的正极连接，第三二极管d3的负极与第二发光二极管led2的正极连接，第二发光二极管led2的负极与脉冲群防护电路模块200的输入第一端口连接。脉冲群防护电路模块200的输入第二端口与第四二极管d4的正极连接，第四二极管d4的负极与数字量输入第二端口连接。第三二极管d3、第二发光二极管led2和第四二极管d4构成反向检测第二支路。
68.以上说明了反向检测电路模块100的电路结构，以下基于反向检测电路模块100的电路结构说明工作过程。
69.当数字量输入正向接入反向检测电路模块100时，电流的流动方向如图3中虚线箭头所示，反向检测第一支路导通，反向检测第二支路断路，第一发光二极管led1输出第一检测指示信号，第一检测指示信号表示第一发光二极管led1亮，表明接线方式正确。
70.当数字量输入反向接入反向检测电路模块100时，电流的流动方向如图3中虚实线箭头所示，反向检测第一支路断路，反向检测第二支路导通，第二发光二极管led2输出第二检测指示信号，第二检测指示信号表示第二发光二极管led2亮，表明接线方式错误。本发明在数字量检测装置的输入端接入防反二极管以保护数字量检测装置因接线错误而引发故障。
71.图4为本发明实施例提供的脉冲群防护电路模块200的电路示意图，如图4所示，脉冲群防护电路模块200包括：3个稳压二极管、2个压敏电阻、2个场效应管和3个电阻。其中，第一场效应管q1和第二场效应管q2均优选为nmos管。3个电阻的作用是限流。
72.第一压敏电阻vdr1的一端与反向检测电路模块100的输出端连接，另一端接地。反向检测电路模块100的输出端与第一电阻r1的一端连接，第一电阻r1的另一端与第一稳压二极管zd1的负极连接，第一稳压二极管zd1的正极与第二稳压二极管zd2的负极连接，第二稳压二极管zd2的正极接地。第一稳压二极管zd1的正极与第一场效应管q1的栅极连接，第一场效应管q1的漏极与第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端与反向检测电路模块100的输出端连接，第一场效应管q1的源极接地。第一场效应管q1的漏极与第三电阻r3的一端连接，第三电阻r3的另一端与第二场效应管q2的栅极连接，第二场效应管q2的漏极与第二压敏电阻vdr2的一端连接，第二压敏电阻vdr2的另一端与反向检测电路模块100的输出端连接，第二场效应管q2的源极接地。第三稳压二极管zd3的负极与第二场效应管q2的栅极连接，第三稳压二极管zd3的正极接地。
73.以上说明了脉冲群防护电路的电路结构，以下基于脉冲群防护电路的电路结构说明工作过程。
74.数字量输入的电压为第一电压或第二电压。其中，第一电压分别大于等于第一压敏电阻vdr1、第一稳压二极管zd1和第二稳压二极管zd2的击穿电压；第二电压分别小于第一压敏电阻vdr1、第一稳压二极管zd1和第二稳压二极管zd2的击穿电压，且大于等于第二压敏电阻vdr2的击穿电压。
75.当数字量输入的电压为第一电压时，干扰信号沿图4中虚线箭头所示路径被消除，第一压敏电阻vdr1被击穿导通，通过第一压敏电阻vdr1所在对地支路消除数字量输入的干扰信号。第一稳压二极管zd1和第二稳压二极管zd2击穿导通，第一场效应管q1的栅极电压为第二稳压二极管zd2的钳位电压，第一场效应管q1的源极电压拉低，a点电压为0，b点电压为0，第一场效应管q1的栅源电压大于门限电压，第一场效应管q1导通，第二场效应管q2的栅源电压小于门限电压，第二场效应管q2断开，第二压敏电阻vdr2不工作。
76.当数字量输入的电压为第二电压时，第一压敏电阻vdr1不导通。第一稳压二极管zd1和第二稳压二极管zd2不导通，第一场效应管q1的栅源电压小于门限电压，第一场效应管q1断开，第二场效应管q2的栅极电压为第二电压，第二场效应管q2的栅源电压大于门限电压，第二场效应管q2导通，干扰信号沿图4中实线箭头所示路径被消除，第二压敏电阻vdr2被击穿导通，通过第二压敏电阻vdr2所在对地支路消除数字量输入的干扰信号。
77.在优选的方案中，脉冲群防护电路模块200还包括：3个电容，用于滤除高频噪声。第一电容c1的一端与第一稳压二极管zd1的负极连接，另一端接地。第二电容c2的一端与第二稳压二极管zd2的负极连接，另一端接地。第三电容c3的一端与第三稳压二极管zd3的负极连接，另一端接地。
78.现有技术中，对于电磁干扰多采用大电阻及电容阻容耦合的方式进行脉冲能量吸收。由于电磁脉冲的不确定性及随机性，经常导致电容被击穿烧毁的现象发生。在本发明中，使用压敏电阻进行脉冲群等电磁干扰的防护处理。压敏电阻在工作过程中可以流经大电流，可以很大程度的耗尽脉冲能量，余下较小部分能量可以由后面的电容进行吸收。
79.图5为本发明实施例提供的切换电路模块300的电路示意图，如图5所示，，切换电路模块300包括：2个稳压二极管、2个场效应管和6个电阻和2个发光二极管。其中，第三场效应管q3和第四场效应管q4均优选为pmos管。
80.脉冲群防护电路模块200的输出端与第四电阻r4的一端连接，第四电阻r4的另一
端与第四稳压二极管zd4的负极连接，第四稳压二极管zd4的正极与第五稳压二极管zd5的负极连接，第五稳压二极管zd5的正极接地。第三场效应管q3的栅极与第五电阻r5的一端连接，第五电阻r5的另一端与第四稳压二极管zd4的负极连接，第三场效应管q3的源极与脉冲群防护电路模块200的输出端连接，第三场效应管q3的漏极与第六电阻r6连接，第六电阻r6的另一端与第四场效应管q4的栅极连接。第四场效应管q4的源极与脉冲群防护电路模块200的输出端连接，第四场效应管q4的漏极与第三发光二极管led3的正极连接，第三发光二极管led3的负极与第七电阻r7的一端连接，第七电阻r7的另一端接地。第四场效应管q4、第三发光二级管和第七电阻r7构成第一支路。第三场效应管q3的漏极与第四发光二极管led4的正极连接，第四发光二极管led4的负极与第八电阻r8的一端连接，第八电阻r8的另一端接地；第三场效应管q3、第四发光二级管和第八电阻r8构成第二支路。
81.以上说明了切换电路模块300的电路结构，以下基于切换电路模块300的电路结构说明工作过程。
82.数字量输入的电压为第一电压或第二电压。其中，第一电压分别大于等于第四稳压二极管zd4的击穿电压、第五稳压二极管zd5的击穿电压.第二电压分别小于第四稳压二极管zd4的击穿电压、第五稳压二极管zd5的击穿电压。
83.当数字量输入的电压为第一电压时，切换图5中虚线箭头所示支路，第四稳压二极管zd4和第五稳压二极管zd5击穿导通，第三场效应管q3的栅极电压为第四稳压二极管zd4的钳位电压，第三场效应管q3的源级电压为第一电压，第三场效应管q3的源栅电压大于门限电压，第三场效应管q3导通，第四场效应管q4的栅源电压小于第四场效应管q4的门限电压，第四场效应管q4断开，第四发光二极管led4输出第一电压指示信号。
84.当数字量输入的电压为第二电压时，切换图5中实线箭头所示支路，第四稳压二极管zd4和第五稳压二极管zd5未击穿断开，第三场效应管q3的源极电压和栅极电压相等，第三场效应管q3的栅源电压小于门限电压，第三场效应管q3断开，第四场效应管q4的源极电压为第一电压，第四场效应管q4的源栅电压大于门限电压，第四场效应管q4导通，第三发光二极管led3输出第二电压指示信号。
85.在优选的方案中，切换电路模块300还包括：2个电容，用于滤波，使得输出的电压为稳定的直流电压。第四电容c4的一端与脉冲群防护电路模块200的输出端连接，另一端接地。第五电容c5的一端与第四稳压二极管zd4的负极连接，另一端接地。
86.图6为本发明实施例提供的过流防护电路模块400的电路示意图，如图6所示，过流防护电路模块400包括：光耦合器u1、三极管v1和3个电阻。其中，三极管v1优选为npn型三极管v1。
87.三极管v1的集电极与切换电路模块300的输出端连接，发射极接地，基极与光耦合器u1的第一输入端连接。光耦合器u1的第二输入端与三极管v1的集电极连接，光耦合器u1的电源端与电源连接，光耦合器u1的输出端串联第十电阻r10后与电源连接，光耦合器u1的接地端串联第十一电阻r11后接地。光耦合器u1的第二输入端与第九电阻r9的一端连接，第九电阻r9的另一端接地。其中，第九电阻r9的选取与保护的电流有关，假定三极管v1的发射极电压为0.7v，被保护电流为30ma,则第九电阻r9的阻值为0.7v/30ma＝23ω。
88.以上说明了过流防护电路模块400的电路结构，以下基于过流防护电路模块400的电路结构说明工作过程。
89.当传输后的输入电信号的电流不超过设定阈值时，光耦合器u1的第二输入端的电压小于三极管v1的发射结电压，三极管v1不导通，电流沿图6中虚线箭头所示路径通过，电流通过光耦合器u1，过流防护电路模块400的输出端输出第一电平信号，第一电平信号为高电平信号，表明无数字量输入。
90.当传输后的输入电信号的电流超过设定阈值时，光耦合器u1的第二输入端的电压大于三极管v1的发射结电压，三极管v1导通，电流沿图6中虚线箭头和实线箭头所示两条路径通过，电流通过光耦合器u1和三极管v1，过流防护电路模块400输出第二电平信号，第二电平信号为低电平信号，表明有数字量输入。
91.本发明实施例提供的数字量检测装置，可以直观的反馈是否有接线错误；使用压敏电阻防护器件进行脉冲群等电磁干扰的防护处理；采用mos管互锁的原理，利用两个分支电路中的开关管不能同时导通的特性，完成不同数字量输入的电路切换；通过增加三极管及电阻的方式，对光耦合器原边侧的二极管进行过流保护；与以往采用更换电路板卡进行不同数字量检测方案相比，本发明实现在一种电路板卡中完成电路切换，电路结构简单，成本更低。
92.专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
93.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
94.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。