本公開的實(shí)施例涉及可編程邏輯控制器和可編程自動(dòng)化控制器，并且更具體地涉及一種用于可編程邏輯控制器或可編程自動(dòng)化控制器的輸入電路。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，用于通用輸入輸出端口的解決方案僅僅存在于高端分布式控制系統(tǒng)(dcs，distributedcontrolsystem)中，其往往具有十分昂貴的成本。

對(duì)于可編程邏輯控制器(plc)或可編程自動(dòng)化控制器(pac)來說，例如在plc/pac上存在10個(gè)用于輸入的節(jié)點(diǎn)，其中例如確定其中6個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)用于數(shù)字輸入，以及另外的4個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)用于模擬輸入，也就是說，這10個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)的布置情況是固定的。這時(shí)如果在該plc/pac上需要5個(gè)用于數(shù)字輸入的節(jié)點(diǎn)以及5個(gè)用于模擬輸入的節(jié)點(diǎn)，必然要對(duì)原有的輸入/輸出節(jié)點(diǎn)的用途進(jìn)行擴(kuò)展。這種擴(kuò)展通常是十分耗費(fèi)的。

而且，用于高端分布式控制系統(tǒng)產(chǎn)品的要求非常高的成本的輸入輸出解決方案并不適用于plc/pac產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本公開的實(shí)施例旨在提供一種輸入電路，其能夠在同一輸入端口上面實(shí)現(xiàn)不同輸入的切換并且成本低廉，同時(shí)還能夠在電路中起到功耗限制保護(hù)以及過壓錯(cuò)誤保護(hù)的作用。

本公開的第一方面提供了一種輸入電路，包括：輸入端，包括第一輸入端子和第二輸入端子并且被配置成接收輸入信號(hào)；電阻器；n 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，與所述電阻器串聯(lián)耦合在所述第一輸入端子和所述第二輸入端子之間；以及運(yùn)算放大器，耦合至所述電阻器和所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，被配置成接收對(duì)應(yīng)于所述輸入信號(hào)的控制信號(hào)，并且其中所述運(yùn)算放大器被配置為：根據(jù)接收到的所述控制信號(hào)，將所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于接通狀態(tài)并限制流過所述電阻器的電流，或者將所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于截止?fàn)顟B(tài)，以輸出所述輸入信號(hào)。

根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，所述輸入電路還包括第一輸出節(jié)點(diǎn)，耦合在所述第一輸入端子與所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管之間，其中所述運(yùn)算放大器被配置成：當(dāng)所述輸入信號(hào)為數(shù)字電壓信號(hào)時(shí)，根據(jù)接收到的所述控制信號(hào)，將所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于接通狀態(tài)并限制流過所述電阻器的電流，以經(jīng)由所述第一輸出節(jié)點(diǎn)輸出所述輸入信號(hào)；或者當(dāng)所述輸入信號(hào)為模擬電壓信號(hào)時(shí)，根據(jù)接收到的所述控制信號(hào)，將所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于截止?fàn)顟B(tài)，以經(jīng)由所述第一輸出節(jié)點(diǎn)輸出所述輸入信號(hào)。

根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，所述輸入電路還包括反向放大器，所述反向放大器耦合至所述第一輸出節(jié)點(diǎn)，對(duì)經(jīng)由所述第一輸出節(jié)點(diǎn)輸出的所述輸入信號(hào)進(jìn)行放大。

根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，所述輸入電路還包括第二輸出節(jié)點(diǎn)，耦合在所述電阻器與所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管之間，其中所述運(yùn)算放大器被配置成：當(dāng)所述輸入信號(hào)為模擬電流信號(hào)，根據(jù)接收到的所述控制信號(hào)，將所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于接通狀態(tài)并限制流過所述電阻器的電流，以輸出所述第二輸出節(jié)點(diǎn)處的電壓。

根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，所述輸入電路還包括緩沖器，所述緩沖器耦合至所述第二輸出節(jié)點(diǎn)，對(duì)所述第二輸出節(jié)點(diǎn)處的電壓進(jìn)行阻抗變換。

根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，其中所述運(yùn)算放大器包括用于接收所述控制信號(hào)的非反相輸入端以及與所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和所述電阻器之間的節(jié)點(diǎn)耦合的反相輸入端。

根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，其中所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括n型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

本公開的第二方面提供了一種多通道輸入電路，包括：多個(gè)單通道電路，其中每個(gè)單通道電路包括：輸入端，包括第一輸入端子和第二輸入端子并且被配置成接收輸入信號(hào)；電阻器；n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，與所述電阻器串聯(lián)耦合在所述第一輸入端子和所述第二輸入端子之間；以及運(yùn)算放大器，耦合至所述電阻器和所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，被配置成接收對(duì)應(yīng)于所述輸入信號(hào)的控制信號(hào)，并且其中所述運(yùn)算放大器被配置為：根據(jù)接收到所述控制信號(hào)，將所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于接通狀態(tài)并限制流過所述電阻器的電流，或者將所述n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于截止?fàn)顟B(tài)，以輸出所述輸入信號(hào)；多路復(fù)用器，被配置成選擇任一所述單通道電路的輸出。

本公開的第三方面提供了一種可編程邏輯控制器或可編程自動(dòng)化控制器，包括根據(jù)本公開的第一方面或者第二方面所述的輸入電路。

本公開的實(shí)施例所提供的輸入電路例如能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)字電壓輸入、模擬電流輸入和模擬電壓輸入在同一輸入端口上的配置切換。此外，這種輸入電路還能夠?qū)崿F(xiàn)了對(duì)數(shù)字電壓輸入的功耗限制保護(hù)以及對(duì)模擬電流輸入的過壓錯(cuò)誤保護(hù)。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本公開的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本公開的一部分，本公開的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本公開，并不構(gòu)成對(duì)本公開的不當(dāng)限定。

圖1示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的輸入電路的示意圖。

圖2示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的多通道輸入電路的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將參考附圖中示出的若干示例實(shí)施例來描述本公開的原理。應(yīng)當(dāng)理解，描述這些實(shí)施例僅是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本公開，而并非以任何方式限制本公開的范圍。

圖1示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的輸入電路1的示意圖。

如圖1所示，輸入電路1包括輸入端，輸入端包括第一輸入端子11和第二輸入端子12并且被配置成接收輸入信號(hào)。在本實(shí)施例中，輸入信號(hào)特別地包括24v直流數(shù)字輸入信號(hào)、0-20ma模擬輸入信號(hào)以及±10v模擬輸入信號(hào)。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，其他所期望的范圍的輸入信號(hào)也是可能的。

示出的輸入電路還包括電阻器r1、n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30以及運(yùn)算放大器40，其中n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30與電阻器r1串聯(lián)耦合在第一輸入端子11和第二輸入端子12之間。具體地，n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30的源極經(jīng)由電阻器r1連接至第二輸入端子12，漏極經(jīng)由電阻器r5連接至第一輸入端子11，其中第二輸入端子12連接至接地。運(yùn)算放大器40包括非反相輸入端(在圖1中由+號(hào)表示)和反相輸入端(在圖1中由-號(hào)表示)，其中非反相輸入端用于接收所述控制信號(hào)，并且反相輸入端連接到n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30和電阻器r1之間的節(jié)點(diǎn)。換言之，反相輸入端連接到n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30的源極并且連接到電阻器r1。運(yùn)算放大器40的輸出端連接到晶體管30的柵極，用于控制晶體管30的狀態(tài)。

n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30包括n型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)或者其他適于實(shí)現(xiàn)本公開的目的的n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。具體地，為了更好地實(shí)現(xiàn)本公開的原理，對(duì)于晶體管的選擇需要使得晶體管的漏電流(例如，柵極-漏極電流)相對(duì)較低，并且優(yōu)選地，晶體管的電壓承受性能較好，至少能夠承受輸入電壓范圍內(nèi)的電壓。

應(yīng)當(dāng)說明的是，在輸入信號(hào)分別為24v直流數(shù)字電壓輸入信號(hào)、0-20ma模擬電流輸入信號(hào)以及±10v模擬電壓輸入信號(hào)時(shí)，可以將控制信號(hào)分別設(shè)置為0v輸入、3.3v輸入以及高阻狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的控制信號(hào)可以由三態(tài)門來提供。如圖1所示，電阻器r2、r3和 r4串聯(lián)連接在+15v和-15v的電源電壓之間，并且在電阻器r2和r3之間的節(jié)點(diǎn)接收控制信號(hào)。運(yùn)算放大器40的非反相輸入端連接到電阻器r3和r4之間的節(jié)點(diǎn)，并且控制信號(hào)可以通過電阻器r2、r3和r4進(jìn)行分壓，從而輸出到運(yùn)算放大器40的非反相輸入端。在本公開的實(shí)施例中，電阻器r2、r3以及r4的阻值分別為10kω、511ω和20kω。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的是，其他任何能夠?qū)崿F(xiàn)用于提供本公開的控制信號(hào)的裝置、電路布置以及不同的阻值也是可能的。

示出的輸入電路1還包括：耦合在所述第一輸入端子11與n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30之間的第一輸出節(jié)點(diǎn)21、耦合在電阻器r1與n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30之間的第二輸出節(jié)點(diǎn)22、以及分別耦合至第一輸出節(jié)點(diǎn)21和第二輸出節(jié)點(diǎn)22的反向放大器51和緩沖器52。在本實(shí)施例中，反向放大器51包括運(yùn)算放大器、連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端的電阻器r6以及連接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間的電阻器r7。此外，如圖1所示，反向放大器51中的運(yùn)算放大器的非反相輸入端可以用于接收偏移電壓voffset。緩沖器52包括輸出端與反相輸入端直接連接的運(yùn)算放大器。

輸入電路1還可以包括分別耦合至反向放大器51的運(yùn)算放大器的輸出端的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器61和耦合至緩沖器52的輸出端的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器62。

以下將根據(jù)三種示例性的輸入信號(hào)類型來具體描述輸入電路1的工作原理。

具體地，當(dāng)輸入信號(hào)為24v直流數(shù)字電壓輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)可以設(shè)置為0v。如上所述，電阻器r2、r3以及r4的阻值分別為10kω、511ω和20kω，因此，此時(shí)運(yùn)算放大器40的非反相輸入端的電壓值約為0.37v。由于運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)，運(yùn)算放大器40的反相輸入端的電壓(也即節(jié)點(diǎn)22的電壓)被拉到0.37v。在本實(shí)施例中，電阻器r1的阻值被設(shè)定為150ω，因此，流過電阻器r1的電流大小被限制到2.5ma。此時(shí)，晶體管30處于接通狀態(tài)，導(dǎo)通2.5ma的電 流。因此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)24v直流輸入狀態(tài)下的功耗限制保護(hù)。

需要說明的是，預(yù)定的電流值2.5ma僅僅作為當(dāng)輸入為24v直流數(shù)字電壓輸入時(shí)，流過電阻器的示例性電流值，該電流值為iectype3標(biāo)準(zhǔn)兼容的電流值。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的是，其他任何適合的電流值也是可能的。

在這種情況下，由于通過運(yùn)算放大器40、電阻器r1和晶體管30限制了兩個(gè)輸入端子之間的電流，從而增加了輸入阻抗，使得24v的輸入電壓基本上全部經(jīng)由第一輸出節(jié)點(diǎn)21傳遞給反向放大器51。反向放大器51對(duì)輸入電壓進(jìn)行反向放大，以向第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器61提供合適的電壓值。具體地，假設(shè)電阻器r6和r7的電阻值分別為r6和r7，則反向放大器的輸出電壓可以表示為：

vout＝voffset+r7*(voffset-vin)/r6。

例如，如果將r6和r7設(shè)置為相同，則當(dāng)輸入電壓vin＝24v時(shí)，輸出電壓vout＝2voffset-24v，并且當(dāng)輸入電壓vin＝0v時(shí)，輸出電壓vout＝2voffset。因此，可以通過設(shè)置電阻器r6和r7的電阻值以及偏移電壓voffset來設(shè)置一定的邏輯電平，用于向第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器61提供輸入信號(hào)，從而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

當(dāng)輸入信號(hào)為0至20ma模擬電流輸入時(shí)，控制信號(hào)可以被設(shè)置為3.3v。該控制信號(hào)經(jīng)由電阻器r2、r3和r4被輸入到運(yùn)算放大器40的非反相輸入端。在這種情況下，由于模擬電流輸入的最大值為20ma，所以電阻器r1兩端的電壓降最多為3v。因此，運(yùn)算放大器40的非反相輸入端始終具有較高的電壓，使得施加給晶體管柵極的電壓始終為正電壓，從而將晶體管保持在接通狀態(tài)。具體地，由于控制信號(hào)為3.3v，因此經(jīng)由電阻器r2、r3和r4輸入到運(yùn)算放大器40的非反相輸入端的電壓近似為3.6v。相應(yīng)地，如果電流的大小不能使得電阻器r1兩端的電壓降等于或者大于3.6v，則該電路中的電流始終等于輸入電流。反之，即使如果輸入電壓過高使得輸入電流大于3.6v/150ω＝24ma，則與上文所述的24v電壓輸入的情況類似，電路中的電流被限制到24ma，從而實(shí)現(xiàn)過壓錯(cuò)誤保護(hù)。換言之，在輸入 電流小于24ma的情況下，運(yùn)算放大器40的反相輸入端的電壓(即第二輸出節(jié)點(diǎn)22處的電壓)不能被拉到與非反相輸入端處的電壓相同。

電阻器r5耦合在n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30的漏極與第一輸出節(jié)點(diǎn)21之間，其中電阻器r5的電阻值可以設(shè)置為不大于250ω-r1-ron，其中ron為n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電阻。

在這種情況下，第二輸出節(jié)點(diǎn)22處的電壓被輸入到緩沖器52以對(duì)該電壓進(jìn)行阻抗變換，以便通過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器62將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于后續(xù)處理的數(shù)字信號(hào)。

當(dāng)輸入信號(hào)為±10v模擬電壓輸入時(shí)，控制信號(hào)為高阻狀態(tài)，在該實(shí)施例中，該高阻狀態(tài)的電壓經(jīng)由電阻器r2、r3和r4被輸入到運(yùn)算放大器40的非反相輸入端，此時(shí)非反相輸入端的輸入信號(hào)為負(fù)電壓，從而使得n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管30置于截止?fàn)顟B(tài)。也就是說，沒有或僅有微量的電流流過電阻器r1。在這種情況下，±10v模擬電壓經(jīng)由第一輸出節(jié)點(diǎn)21被輸入到反向放大器51以對(duì)電壓進(jìn)行放大，以經(jīng)由第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。反向放大器51的原理上文已經(jīng)進(jìn)行了描述，在此不再贅述。

如圖1所示的輸入電路1僅使用非常少量的元件實(shí)現(xiàn)多種輸入類型的切換，并且還可以實(shí)現(xiàn)過壓錯(cuò)誤保護(hù)和功耗限制保護(hù)等功能。此外，如圖1所示的輸入電路1非常容易進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多通道輸入。例如，圖2示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的多通道輸入電路2的示意圖。

如圖2所示，多通道輸入電路2包括多個(gè)圖1所示的單通道電路1。在圖2的實(shí)施例中，多通道輸入電路2包括四個(gè)輸入通道ch1至ch4，為了簡(jiǎn)明起見，僅畫出了ch1的單通道電路，并且ch2-ch4的電路與ch1的單通道輸入電路1一致。應(yīng)當(dāng)注意，為了簡(jiǎn)潔，在圖2中將多路復(fù)用器繪成分立的若干開關(guān)71和72等，但是多路復(fù)用器通常是單個(gè)電子部件。多路復(fù)用器耦合到每個(gè)單通道輸入電路的兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，用于從多個(gè)單通道電路中選擇任一輸出，供后續(xù)電路進(jìn) 行進(jìn)一步處理。例如，對(duì)于第一通道ch1，多路復(fù)用器71、72耦合在第一輸出節(jié)點(diǎn)21和反向放大器51之間，并且耦合在第二輸出節(jié)點(diǎn)22和緩沖器52之間。

本公開的實(shí)施例還包括一種可編程邏輯控制器或可編程自動(dòng)化控制器，其包括前述的單通道輸入電路或多通道輸入電路。

以上所述僅為本公開的可選實(shí)施例，并不用于限制本公開，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本公開可以有各種更改和變化。凡在本公開的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等效替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。