支持差分模式的数字量输入板卡和信号转换方法技术

本发明专利技术实施例涉及高速信号采集领域，公开了一种支持差分模式的数字量输入板卡和信号转换方法。本发明专利技术中，数字量输入板卡包含保护电路、电压转电流电路和隔离电路且三个电路都满足50MHZ的高速要求。保护电路用于将输入的差分信号转换为近似的单端信号同时起过压和反向保护的作用；电压转电流电路将保护电路转换后的宽压单端信号转换为电流信号；隔离电路将电流信号与核心控制单元隔离并且将电压转电流电路转换后的电流信号转化为数字量标准电平信号。本发明专利技术可以将输入的4

Digital input board and signal conversion method supporting differential mode

【技术实现步骤摘要】
支持差分模式的数字量输入板卡和信号转换方法


[0001]本专利技术实施例涉及高速信号采集领域，特别涉及实时仿真领域中支持差分模式的数字量输入板卡和信号转换方法。

技术介绍

[0002]当前，随着航天航空，轨道交通，智能电网等领域技术的不断发展，实时仿真系统的复杂度也是越来越高，因此对系统中的核心硬件设备仿真机也是提出越来越高的要求。为了能够满足不同领域不同实施需求下的日益复杂的实时仿真系统，一种支持差分模式的数字量输入板卡和信号转换方法成为了开发设计的重点。
[0003]传统的数字量输入板卡为了满足隔离的设计需求，共有3种设计方案：分别为光耦合器、磁隔和容隔。专利技术人发现相关技术中至少存在如下问题：磁隔和容隔均为电压输入型元件，需要提供标准的隔离前级电源，因而不适用外部不提供标准隔离前级电源的场合；同时差分输入模式也没有参考地，板卡也无法产生隔离前级电源，因此具有很大的局限性且磁隔和容隔的价格过高。光耦合器作为电流输入性元件，不需要提供隔离前级电源，因此具有较广的适用性；，一般输入时利用欧姆定律I＝U/R通过电阻将电压输入信号转化为电流输入信号；但是光耦合器对输入电流具有严格的范围要求，且范围较小，所以宽压输入时一般采用稳流二极管将宽压信号转化为恒流信号，但稳流二极管速率较低，无法适用于目前信号传输的高速率要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施方式的目的在于提供一种支持差分模式的数字量输入板卡，使得可以将外部输入的的宽压信号转化为数字量标准电平信号，支持高速率的输入信号并支持差分输入模式，同时具有隔离保护的功能适用于需要隔离的应用场合。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的实施方式提供了一种支持差分模式的数字量输入板卡，包括：保护电路，电压转电流电路和隔离电路；
[0006]保护电路用于将输入的宽压差分信号转换为近似的宽压单端信号；
[0007]电压转电流电路用于将保护电路转换后的近似的宽压单端信号转换为电流信号；
[0008]隔离电路用于将电流信号与核心控制单元隔离并且将电压转电流电路转换后的电流信号转化为数字量标准电平信号。
[0009]其中，保护电路、电压转电流电路和隔离电路的输入信号的速率小于等于预设门限。
[0010]本专利技术的实施方式还提供了一种信号转换方法，包括：
[0011]通过保护电路将输入的宽压差分信号转换为近似的宽压单端信号；
[0012]通过电压转电流电路将近似的宽压单端信号转换为电流信号；
[0013]通过隔离电路将电流信号与核心控制单元隔离并将电流信号转化为数字量标准电平信号；
[0014]其中，保护电路、电压转电流电路和隔离电路的输入信号的速率小于等于预设门限。
[0015]本专利技术实施方式相对于相关技术而言，保护电路会首先将输入的宽压差分数字量信号转换为近似的单端宽压数字量信号，这样就可以支持信号的差分输入，减小输入信号的误差。并且保护电路会保护整个电路避免因为外部输入信号过压以及反接产生的负电压(包括差分信号的负电压)造成后级电路的损坏。电压转电流电路会将4
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50V的近似单端宽压数字量输入信号转换为符合隔离电路需求的电流数字量信号提供给隔离电路。这样就避免了在使用磁隔和容隔时需要提供标准的隔离前级电源而带来的局限性并且解决了传统光耦合器数字量板卡不支持宽压输入的问题。隔离电路将转换后的电流数字量信号转化为3.3V的数字量标准电平信号，同时提供了隔离的功能。并且以上三个电路均需满足50MHz的高速要求，这样就避免了传统的数字量输入板卡在使用容隔磁隔来实现隔离时无法适用目前的高速率信号传递要求。本专利技术具有隔离，高速，支持宽压输入，支持差分输入模式等高性能的特性，适用于对数字量输入有高性能要求的场合；并且实现电路简单有效，具有成本低廉的优良特性。
[0016]另外，在一个例子中，保护电路包括：第一二级管和第二二级管；其中，第一二级管的正极连接外部正电压输入信号，第二二级管的正极连接外部负电压输入信号，第二二级管的负极与第一二级管的负极相连。通过这个保护电路可以将差分数字量信号转换为近似单端数字量信号并且起到保护整个电路的作用。
[0017]另外，在一个例子中，第一二极管需要有大于200MHz的速率，低于0.5V的正向导通压降，高于60V反向击穿电压的特点。第二二极管需要有低于10pf结间电容以及反向击穿电压在60
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80V的特点。第一二极管作为串联在输入端的二极管，正向导通反向截止，起到将差分信号转化为近似单端信号的作用(正电压时导通，后级电路工作，光耦合器导通，输出低电平；负电压时截止，后级电路不工作，光耦合器不导通，输出高电平)；同时第一二极管起到反向保护的作用，防止因输入端正负错接或差分输入时的负电压信号造成后级三极管和光耦合器的损坏。第二二极管作为反向并联在输入端的二极管，主要起到当外部过压时击穿该二极管保护后级电路以及负电压时短路掉后级电路，防止负电压加在后级电路两端造成后级电路损坏的作用。
[0018]另外，在一个例子中，电压转电流电路包括：第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第一电阻和第二电阻；其中，第一电阻的一端与第一NPN型三极管的集电极相连，另一端和第一NPN型三极管的基极相连；第一NPN型三极管的集电极与第一二级管的负极相连，第一NPN型三极管的发射极与第二三极管的基极相连，第一NPN型三极管的基极与第二NPN型三极管的集电极相连；第二NPN型三极管的发射极和第二电阻的一端相连；第二电阻的另一端与第二NPN型三极管的基极相连。通过这个电压转电流电路可以将4
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50V的宽压数字量输入信号转换为符合隔离电路需求的电流数字量信号提供给隔离电路。
[0019]另外，在一个例子中，隔离电路包括：第一电容、第二电容和一个光耦合器；
[0020]其中，第一电容的一端与第二NPN型三极管的发射极相连，第一电容的另一端与外部负电压输入信号相连；光耦合器的第一输入端与第一电容的一端连接，光耦合器的第二输入端与第一电容的另一端相连，光耦合器的输出供电电源端与第二电容的一端连接，光耦合器的信号输出端输出转化后的数字量信号，光耦合器的接地端接地；第二电容的另一
端接地。通过这个隔离电路可以将转换后的电流信号转化为3.3V的数字量标准电平信号，同时提供了隔离的功能，将电流信号与后续的核心控制单元隔离开来，增强了电路的抗干扰能力。
[0021]另外，在一个例子中，隔离电路用来隔离的核心控制单元包括：CPU、FGPA。
[0022]另外，在一个例子中，在电压转电流电路中的第一电阻和第二电阻的阻值，要根据三极管工作在放大区的工作特性、三级管导通时Vbe恒定的特性以及流过光耦合器的电流要大于其导通电流的特性选取得到。通过这种电压转电流电路中电阻的参数选取的方法和电路分析可以选出更加适合电路的电阻使电路能够符合设计需求。
[0023]另外，在一个例子中，保护电路、电压转电流电路和隔离电路的输入信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种支持差分模式的数字量输入板卡，其特征在于，包括：保护电路，电压转电流电路和隔离电路；所述保护电路用于将输入的宽压差分信号转换为近似的宽压单端信号；所述电压转电流电路用于将所述保护电路转换后的近似的宽压单端信号转换为电流信号；所述隔离电路用于将所述电流信号与核心控制单元隔离并且将所述电压转电流电路转换后的电流信号转化为数字量标准电平信号；其中，所述保护电路、所述电压转电流电路和所述隔离电路的输入信号的速率小于等于预设门限。2.根据权利要求1所述的一种支持差分模式的数字量输入板卡，其特征在于，所述的保护电路，包括：第一二级管和第二二级管；其中，所述第一二级管的正极连接外部正电压输入信号，所述第二二级管的正极连接外部负电压输入信号，所述第二二级管的负极与第一二级管的负极相连。3.根据权利要求2所述的一种支持差分模式的数字量输入板卡，其特征在于，所述的第一二级管和第二二级管，包括：所述第一二极管的速率大于200MHz，正向导通压降低于0.5V，反向击穿电压高于60V；所述第二二极管的结间电容低于10pf且反向击穿电压在60
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80V。4.根据权利要求1所述的一种支持差分模式的数字量输入板卡，其特征在于，所述的电压转电流电路，包括：第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第一电阻和第二电阻；其中，所述第一电阻的一端与第一NPN型三极管的集电极相连，另一端和所述第一NPN型三极管的基极相连；所述第一NPN型三极管的集电极与所述第一二级管的负极相连，所述第一NPN型三极管的发射极与所述第二三极管的基极相连，所述第一NPN型三极管的基极与所述第二NPN型三极管的集电极相...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：上海科梁信息科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：