專利名稱：模擬信號通道切換電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號切換技術(shù)，特別是涉及一種模擬信號通道切換電路及方法。
背景技術(shù)：
模擬信號通道的切換技術(shù)在機(jī)床的電氣控制中起著重要作用，電氣控制有時需要進(jìn)行多路信號和參數(shù)的采集控制，如果每一路都單獨(dú)采用各自的輸入回路，不僅成本比單路成倍增加，而且會導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，且由于模擬器件、阻容元件參數(shù)特性不一致，對系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來很大困難。并且對于多路，比如對上百路信號進(jìn)行采集，每路單獨(dú)采用一個回路幾乎是不可能的。因此，除特殊情況下采用多路獨(dú)立的放大、A/D (Analog-to-Digital,模數(shù)轉(zhuǎn)換)外，通常采用公共的采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換電路(有時甚至可將某些放大電路共用)，利用多路開關(guān)進(jìn)行模擬信號的選擇控制。另外，在機(jī)床控制中，有時需要在兩路或以上的模擬信號中切換，選擇其中一路驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的模擬信號通道切換是使用繼電器來實(shí)現(xiàn)的，通過控制繼電器的吸合和釋放來切換模擬信號通道。一般繼電器的吸合需要20ms，釋放也需要20ms，固態(tài)繼電器的吸合和釋放的時間都需要10ms。利用繼電器進(jìn)行模擬信號通道切換存在通道切換速度慢的問題，繼電器的機(jī)械特性也導(dǎo)致其在頻繁開閉的條件下容易產(chǎn)生機(jī)械疲勞，存在使用壽命短的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要提供一種通道切換速度快、使用壽命長的模擬信號通道切換電路及方法。一種模擬信號通道切換電路，包括:模擬信號輸入通道，包括第一通道和第二通道，所述第一和第二通道分別用于接收第一模擬信號和第二模擬信號；比較器，所述比較器的輸入端接收通道選擇信號，所述比較器用于判斷所述通道選擇信號是否大于或等于有效閾值，所述比較器的第一輸出端和第二輸出端在所述通道選擇信號大于或等于所述有效閾值時輸出第一狀態(tài)，在所述通道選擇信號小于所述有效閾值時輸出第二狀態(tài)；通道選擇模塊，包括模擬開關(guān)芯片，所述模擬開關(guān)芯片的第一輸入端和第二輸入端分別與所述第一通道和第二通道連接，第一控制端和第二控制端分別與所述比較器的第一輸出端和第二輸出端連接，所述模擬開關(guān)芯片在接收到所述第一狀態(tài)時由所述模擬開關(guān)芯片的輸出端選擇輸出通過所述模擬開關(guān)芯片的第一輸入端接收的信號，在接收到所述第二狀態(tài)時由所述模擬開關(guān)芯片的輸出端選擇輸出通過所述模擬開關(guān)芯片的第二輸入端接收的信號；模擬信號輸出通道，與所述模擬開關(guān)芯片的輸出端連接，所述模擬信號輸出通道的輸出端輸出所述模擬開關(guān)芯片選擇輸出的信號。在其中一個實(shí)施例中，所述模擬開關(guān)芯片為⑶4066芯片,所述比較器為雙輸出單限電壓比較器。
在其中一個實(shí)施例中,所述模擬信號輸入通道包括第一輸入運(yùn)算電路和第二輸入運(yùn)算電路，所述第一通道通過所述第一輸入運(yùn)算電路與所述模擬開關(guān)芯片的第一輸入端連接，所述第二通道通過所述第二輸入運(yùn)算電路與所述模擬開關(guān)芯片的第二輸入端連接，所述第一輸入運(yùn)算電路和第二輸入運(yùn)算電路分別用于將所述第一模擬信號和第二模擬信號按比例變換為所述CD4066芯片能夠處理的電壓范圍；所述模擬信號輸出通道包括輸出運(yùn)算電路，所述輸出運(yùn)算電路用于將所述模擬開關(guān)芯片輸出的模擬信號變換為經(jīng)所述模擬信號輸入通道變換前的電壓大小后輸出。在其中一個實(shí)施例中，所述模擬信號通道切換電路包括與所述比較器的輸入端連接的光電隔離電路，所述通道選擇信號經(jīng)所述光電隔離電路傳輸至所述比較器。在其中一個實(shí)施例中，所述模擬信號通道切換電路包括與所述模擬信號輸出通道的輸出端連接的輸出保護(hù)電路，所述輸出保護(hù)電路用于進(jìn)行過壓過流保護(hù)。在其中一個實(shí)施例中，所述輸出第一狀態(tài)為由所述比較器的第一輸出端輸出正5伏電壓，第二輸出端輸出負(fù)5伏電壓；所述輸出第二狀態(tài)為由所述比較器的第一輸出端輸出負(fù)5伏電壓,第二輸出端輸出正5伏電壓。在其中一個實(shí)施例中，所述模擬信號通道切換電路還包括供電模塊，所述供電模塊與所述模擬信號輸入通道、通道選擇模塊及模擬信號輸出通道連接，所述供電模塊為所述模擬信號輸入通道、通道選擇模塊及模擬信號輸出通道提供工作電壓。一種模擬信號通道切換方法，包括以下步驟:接收第一模擬信號和第二模擬信號；接收通道選擇信號；判斷所述通道選擇信號是否大于或等于有效閾值；若是，則輸出第一狀態(tài)；若否，則輸出第二狀態(tài)；接收到所述第一狀態(tài)后輸出所述第一模擬信號；接收到所述第二狀態(tài)后輸出所述第二模擬信號。在其中一個實(shí)施例中，所述接收通道選擇信號步驟之后，判斷所述通道選擇信號是否大于或等于有效閾值的步驟之前包括對所述通道選擇信號進(jìn)行光電隔離的步驟。上述模擬信號通道切換電路及方法，第一和第二模擬信號經(jīng)過模擬信號輸入通道傳輸至通道選擇模塊中的模擬開關(guān)芯片，比較器接收并判斷通道選擇信號是否大于或等于有效閾值，若是則輸出第一狀態(tài)至模擬開關(guān)芯片，若否則輸出第二狀態(tài)至模擬開關(guān)芯片，模擬開關(guān)芯片接收到第一狀態(tài)后選擇輸出通過模擬開關(guān)芯片的第一輸入端接收的信號，接收到第二狀態(tài)后選擇輸出通過模擬開關(guān)芯片的第二輸入端接收的信號，由模擬開關(guān)芯片選擇輸出的信號經(jīng)模擬信號輸出通道輸出。用模擬開關(guān)芯片代替繼電器，根據(jù)接收的通道選擇信號對模擬信號進(jìn)行選擇輸出，切換速度快，而且屬于非機(jī)械觸點(diǎn)切換，在頻繁開關(guān)的條件下不會產(chǎn)生機(jī)械疲勞，使用壽命長。


圖1為一實(shí)施例中模擬信號通道切換電路的結(jié)構(gòu)圖；圖2為另一實(shí)施例中模擬信號通道切換電路的結(jié)構(gòu)圖；圖3為一實(shí)施例中模擬信號通道切換方法的流程圖；圖4為另一實(shí)施例中模擬信號通道切換方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
傳統(tǒng)的模擬信號通道切換是使用繼電器來實(shí)現(xiàn)的，通過控制繼電器的吸合和釋放來切換模擬信號通道。一般繼電器的吸合需要20ms，釋放也需要20ms，固態(tài)繼電器的吸合和釋放的時間都需要10ms。利用繼電器進(jìn)行模擬信號通道切換存在通道切換速度慢的問題，繼電器的機(jī)械特性也導(dǎo)致其在頻繁開閉的條件下容易產(chǎn)生機(jī)械疲勞，存在使用壽命短的缺點(diǎn)。針對上述問題，本發(fā)明提供了一種模擬信號通道切換電路，如圖1所示，包括模擬信號輸入通道110、比較器120、通道選擇模塊130和模擬信號輸出通道140。模擬信號輸入通道110包括第一通道112和第二通道114，第一通道112和第二通道114分別用于接收第一模擬信號和第二模擬信號。比較器120的輸入端接收通道選擇信號，通道選擇信號由模擬信號通道切換電路外部輸入，其電壓大小可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，本實(shí)施例中比較器120可采用雙輸出單限電壓比較器。比較器120判斷通道選擇信號是否高于有效閾值，即判斷通道選擇信號是高電平還是低電平，本實(shí)施例中高電平的典型值為24V，比較器120的第一輸出端和第二輸出端在通道選擇信號為高電平時輸出第一狀態(tài)，在通道選擇信號為低電平時輸出第二狀態(tài)?？梢岳斫?，有效閾值并不唯一，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。具體地，輸出第一狀態(tài)可以是指由比較器120的第一輸出端輸出正5伏電壓,第二輸出端輸出負(fù)5伏電壓；輸出第二狀態(tài)可以是指由比較器120的第一輸出端輸出負(fù)5伏電壓，第二輸出端輸出正5伏電壓。本實(shí)施例中用I表不正5伏,用O表不負(fù)5伏，則第一狀態(tài)為10，第二狀態(tài)為01。通道選擇模塊130包括模擬開關(guān)芯片132，本實(shí)施例中模擬開關(guān)芯片為⑶4066芯片，CD4066芯片內(nèi)部有4個獨(dú)立的模擬開關(guān)，每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換，當(dāng)控制端加正5伏時開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加負(fù)5伏或無電壓接入時開關(guān)截止。CD4066芯片具有阻抗穩(wěn)定、各開關(guān)之間串?dāng)_小等特點(diǎn)。在其他實(shí)施例中模擬開關(guān)芯片132也可采用C544、CC4066、TC4066、μ PD4066等芯片。模擬開關(guān)芯片132的第一輸入端和第二輸入端分別與第一通道112和第二通道114連接，模擬開關(guān)芯片132的第一控制端和第二控制端分別與比較器120的第一輸出端和第二輸出端連接，模擬開關(guān)芯片132的第一輸出端和第二輸出端并接在一起作為模擬開關(guān)芯片132的輸出端。模擬開關(guān)芯片132在接收到第一狀態(tài)10時由模擬開關(guān)芯片132的輸出端選擇輸出通過模擬開關(guān)芯片132的第一輸入端接收的信號，在接收到第二狀態(tài)01時由模擬開關(guān)芯片132的輸出端選擇輸出通過模擬開關(guān)芯片132的第二輸入端接收的信號。模擬信號輸出通道140與模擬開關(guān)芯片132的輸出端連接，模擬信號輸出通道140的輸出端輸出模擬開關(guān)芯片132選擇輸出的信號。上述模擬信號通道切換電路，第一和第二模擬信號經(jīng)過模擬信號輸入通道110傳輸至通道選擇模塊130中的模擬開關(guān)芯片132，比較器120接收并判斷通道選擇信號是否大于或等于有效閾值，若是則輸出第一狀態(tài)至模擬開關(guān)芯片132，若否則輸出第二狀態(tài)至模擬開關(guān)芯片132，模擬開關(guān)芯片132接收到第一狀態(tài)后選擇輸出通過模擬開關(guān)芯片132的第一輸入端接收的信號，在接收到第二狀態(tài)后選擇輸出通過模擬開關(guān)芯片132的第二輸入端接收的信號，由模擬開關(guān)芯片132選擇輸出的信號經(jīng)模擬信號輸出通道140輸出。用模擬開關(guān)芯片代替繼電器，根據(jù)接收的通道選擇信號對模擬信號進(jìn)行選擇輸出，切換速度快，而且屬于非機(jī)械觸點(diǎn)切換，在頻繁開關(guān)的條件下不會產(chǎn)生機(jī)械疲勞，使用壽命長，在切換時也不會產(chǎn)生電火花，避免出現(xiàn)擊穿空氣放電的現(xiàn)象。經(jīng)試驗(yàn)，上述模擬信號通道切換電路在切換模擬信號通道時，每次切換時間為50微秒，切換頻率為ΙΟΚΗζ。與傳統(tǒng)的繼電器切換相比，切換速度更快。圖2為圖1的一個更詳細(xì)的實(shí)施例，模擬信號通道切換電路輸入和輸出的模擬信號電壓范圍均為負(fù)10伏至正10伏。模擬信號輸入通道110包括第一輸入運(yùn)算電路113和第二輸入運(yùn)算電路115，模擬信號輸出通道140包括輸出運(yùn)算電路142。第一通道112通過第一輸入運(yùn)算電路113與模擬開關(guān)芯片132的第一輸入端連接，第二通道114通過第二輸入運(yùn)算電路115與模擬開關(guān)芯片132的第二輸入端連接，第一輸入運(yùn)算電路113和第二輸入運(yùn)算電路115分別用于將第一模擬信號和第二模擬信號按比例變換為⑶4066芯片能夠處理的電壓范圍，即負(fù)5伏至正5伏。輸出運(yùn)算電路142用于將模擬開關(guān)芯片132輸出的信號變換為經(jīng)模擬信號輸入通道110變換前的電壓大小后輸出。繼續(xù)參照圖2，模擬信號通道切換電路可包括與比較器120的輸入端連接的光電隔離電路150，通道選擇信號經(jīng)光電隔離電路150傳輸至比較器120，本實(shí)施例中光電隔離電路150可采用6N137芯片，在其他實(shí)施例中光電隔離電路150也可采用6N139、TLP115、TLP521等芯片。利用光電隔離電路150，以光為媒介傳送通道選擇信號，有效地對輸入和輸出電路進(jìn)行隔離，增強(qiáng)了抗干擾能力。模擬信號通道切換電路還可包括用于進(jìn)行過壓過流保護(hù)的輸出保護(hù)電路160，輸出保護(hù)電路160與模擬信號輸出通道140的輸出端連接。此外，如圖2所示，模擬信號通道切換電路還可以包括供電模塊170，供電模塊170與模擬信號輸入通道110、通道選擇模塊130和模擬信號輸出通道140連接，供電模塊170用于為模擬信號輸入通道110、通道選擇模塊130和模擬信號輸出通道140提供工作電壓。本發(fā)明還提供了一種模擬信號通道切換方法，如圖3所示，包括以下步驟:步驟SllO:接收第一模擬信號和第二模擬信號?？捎媚M開關(guān)芯片來接收第一和第二模擬信號。本實(shí)施例中模擬開關(guān)芯片采用CD4066芯片，在其他實(shí)施例中模擬開關(guān)芯片也可以是C544、CC4066、TC4066、μ PD4066等芯片。步驟S120:接收通道選擇信號。根據(jù)通道選擇信號來選擇輸出第一或第二模擬信號，通道選擇信號的電壓大小可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。步驟S140:判斷通道選擇信號是否大于或等于有效閾值。若是，則進(jìn)行步驟S150 ;若否，則進(jìn)行步驟S160。有效閾值并不是唯一的，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。步驟S150:輸出第一狀態(tài)。輸出第一狀態(tài)后進(jìn)行步驟S170。步驟S160:輸出第二狀態(tài)。輸出第二狀態(tài)后進(jìn)行步驟S180。在其中一個實(shí)施例中，可用雙輸出單限電壓比較器接收并判斷通道選擇信號是否高于有效閾值，即判斷通道選擇信號是高電平還是低電平，本實(shí)施例中高電平的典型值為24V，雙輸出單限電壓比較器在通道選擇信號為高電平時輸出第一狀態(tài)，在通道選擇信號為低電平時輸出第二狀態(tài)。具體地，輸出第一狀態(tài)可以是指由雙輸出單限電壓比較器的第一輸出端輸出正5伏電壓，第二輸出端輸出負(fù)5伏電壓；輸出第二狀態(tài)可以是指由雙輸出單限電壓比較器的第一輸出端輸出負(fù)5伏電壓,第二輸出端輸出正5伏電壓。本實(shí)施例中用I表不正5伏,用O表示負(fù)5伏，則第一狀態(tài)為10,第二狀態(tài)為01。步驟S170:接收到第一狀態(tài)后輸出第一模擬信號。步驟S180:接收到第二狀態(tài)后輸出第二模擬信號。模擬開關(guān)芯片的控制端接收雙輸出單限電壓比較器輸出的第一狀態(tài)10或第二狀態(tài)01。模擬開關(guān)芯片根據(jù)接收到的狀態(tài)由模擬開關(guān)芯片的輸出端選擇輸出接收到的信號。在其中一個實(shí)施例中，在模擬開關(guān)芯片接收第一和第二模擬信號之前，可以對第一和第二模擬信號進(jìn)行輸入運(yùn)算處理，將第一和第二模擬信號按比例變換為模擬開關(guān)芯片能夠處理的電壓范圍，并對模擬開關(guān)芯片選擇輸出的信號進(jìn)行輸出運(yùn)算處理，將模擬開關(guān)芯片輸出的信號變換為輸入運(yùn)算處理前的電壓大小后輸出。上述模擬信號通道切換方法，在接收到第一、第二模擬信號及通道選擇信號后，判斷通道選擇信號是否大于或等于有效閾值，若是則輸出第一狀態(tài)，若否則輸出第二狀態(tài)，在接收到第一狀態(tài)后輸出第一模擬信號，接收到第二狀態(tài)后輸出第二模擬信號。通過判斷通道選擇信號與有效閾值的大小來輸出不同的狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)選擇輸出第一或第二模擬信號，實(shí)現(xiàn)對模擬信號的輸出切換控制。在其中一個實(shí)施例中，如圖4所示，步驟S120與步驟S140之間還可包括步驟S130:對通道選擇信號進(jìn)行光電隔離。本實(shí)施例中可利用光電隔離電路對通道選擇信號進(jìn)行光電隔離，以光為媒介傳送通道選擇信號，有效地對通道選擇信號的輸入和輸出進(jìn)行隔離，增強(qiáng)了抗干擾能力。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種模擬信號通道切換電路，其特征在于，包括: 模擬信號輸入通道，包括第一通道和第二通道，所述第一和第二通道分別用于接收第一模擬信號和第二模擬信號； 比較器，所述比較器的輸入端接收通道選擇信號，所述比較器用于判斷所述通道選擇信號是否大于或等于有效閾值，所述比較器的第一輸出端和第二輸出端在所述通道選擇信號大于或等于所述有效閾值時輸出第一狀態(tài)，在所述通道選擇信號小于所述有效閾值時輸出第二狀態(tài)； 通道選擇模塊，包括模擬開關(guān)芯片，所述模擬開關(guān)芯片的第一輸入端和第二輸入端分別與所述第一通道和第二通道連接，第一控制端和第二控制端分別與所述比較器的第一輸出端和第二輸出端連接，所述模擬開關(guān)芯片在接收到所述第一狀態(tài)時由所述模擬開關(guān)芯片的輸出端選擇輸出通過所述模擬開關(guān)芯片的第一輸入端接收的信號，在接收到所述第二狀態(tài)時由所述模擬開關(guān)芯片的輸出端選擇輸出通過所述模擬開關(guān)芯片的第二輸入端接收的信號; 模擬信號輸出通道，與所述模擬開關(guān)芯片的輸出端連接，所述模擬信號輸出通道的輸出端輸出所述模擬開關(guān)芯片選擇輸出的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬信號通道切換電路，其特征在于，所述模擬開關(guān)芯片為⑶4066芯片，所述比較器為雙輸出單限電壓比較器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬信號通道切換電路，其特征在于，所述模擬信號輸入通道包括第一輸入運(yùn)算電路和第二輸入運(yùn)算電路，所述第一通道通過所述第一輸入運(yùn)算電路與所述模擬開關(guān)芯片的第一輸入端連接，所述第二通道通過所述第二輸入運(yùn)算電路與所述模擬開關(guān)芯片的第二輸入端連接，所述第一輸入運(yùn)算電路和第二輸入運(yùn)算電路分別用于將所述第一模擬信號和第二模擬信號按比例變換為所述CD4066芯片能夠處理的電壓范圍； 所述模擬信號輸出通道包括輸出運(yùn)算電路，所述輸出運(yùn)算電路用于將所述模擬開關(guān)芯片輸出的模擬信號變換為經(jīng)所述模擬信號輸入通道變換前的電壓大小后輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬信號通道切換電路，其特征在于，所述模擬信號通道切換電路包括與所述比較器的輸入端連接的光電隔離電路，所述通道選擇信號經(jīng)所述光電隔離電路傳輸至所述比較器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬信號通道切換電路，其特征在于，所述模擬信號通道切換電路包括與所述模擬信號輸出通道的輸出端連接的輸出保護(hù)電路，所述輸出保護(hù)電路用于進(jìn)行過壓過流保護(hù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的模擬信號通道切換電路，其特征在于，所述輸出第一狀態(tài)為由所述比較器的第一輸出端輸出正5伏電壓,第二輸出端輸出負(fù)5伏電壓；所述輸出第二狀態(tài)為由所述比較器的第一輸出端輸出負(fù)5伏電壓,第二輸出端輸出正5伏電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的模擬信號通道切換電路，其特征在于，所述模擬信號通道切換電路還包括供電模塊，所述供電模塊與所述模擬信號輸入通道、通道選擇模塊及模擬信號輸出通道連接，所述供電模塊為所述模擬信號輸入通道、通道選擇模塊及模擬信號輸出通道提供工作電壓。
8.一種模擬信號通道切換方法， 其特征在于，包括以下步驟: 接收第一模擬信號和第二模擬信號；接收通道選擇信號； 判斷所述通道選擇信號是否大于或等于有效閾值； 若是，則輸出第一狀態(tài)； 若否，則輸出第二狀態(tài)； 接收到所述第一狀態(tài)后輸出所述第一模擬信號； 接收到所述第二狀態(tài)后輸出所述第二模擬信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模擬信號通道切換方法，其特征在于，所述接收通道選擇信號步驟之后，判斷所述通道選擇信號是否大于或等于有效閾值的步驟之前包括對所述通道選擇信號進(jìn)行光電隔離的步驟。
全文摘要
一種模擬信號通道切換電路，第一和第二模擬信號經(jīng)過模擬信號輸入通道傳輸至通道選擇模塊的模擬開關(guān)芯片，比較器接收并判斷通道選擇信號是否大于或等于有效閾值。若是則輸出第一狀態(tài)至模擬開關(guān)芯片，若否則輸出第二狀態(tài)至模擬開關(guān)芯片，模擬開關(guān)芯片根據(jù)接收到的狀態(tài)選擇輸出接收的信號，模擬開關(guān)芯片選擇輸出的信號經(jīng)模擬信號輸出通道輸出。用模擬開關(guān)芯片代替繼電器，根據(jù)接收的通道選擇信號對模擬信號進(jìn)行選擇輸出，切換速度快，而且屬于非機(jī)械觸點(diǎn)切換，在頻繁開關(guān)的條件下不會產(chǎn)生機(jī)械疲勞，使用壽命長。此外，本發(fā)明還提供一種模擬信號通道切換方法。
文檔編號H03K17/04GK103199826SQ20131006599
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者余錦望, 侯勇, 向水平, 陳根余, 陳燚, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司