CN102122948B - 处理数字信号的电路装置和相应方法 - Google Patents

Abstract

一种处理数字信号的电路装置和相应方法。电路装置包括用于接收数字信号的输入端，数字信号包括开关到地数字信号和开关到电源数字信号；输出端；以及开关电路单元，其驱动输入端与所述电路装置的输入端相耦合，其输出端与电路装置的输出端相耦合，并且其输出端还通过第一电阻与第一电压源相耦合。电路装置进一步包括第二电压源和第二电阻，所述电路装置被配置为使得：当电路装置的输入端处的输入数字信号是开关到地数字信号时，第二电压源经由第二电阻与电路装置的输入端相耦合，使得当开关到地数字信号的状态为无效时所述开关电路单元导通；当电路装置的输入端处的输入数字信号是开关到电源数字信号时，第二电压源与电路装置的输入端断开。

Description

处理数字信号的电路装置和相应方法

技术领域

本发明大致地涉及处理数字信号的电路装置和相应方法，并且特别地涉及适于处理STB和STG两类开关信号的数字信号采样电路及其配置方法。

背景技术

在机械电气控制中通常应用两类开关信号输出，一种是开关到电源(Switch-to-Battery，简写为STB)数字信号，另一种是开关到地(Switch-to-Ground，简写为STG)数字信号。

STB数字信号具有两种状态：激活状态和无效状态。STB数字信号的这两种状态可以分别反映对应的机械组件的工作状态，例如汽车液压油锁液压油锁状态。例如，当汽车液压油锁工作不正常时，反映其状态的STB数字信号会处于激活状态；当液压油锁工作正常时，反映其状态的STB数字信号会处于无效状态。

如1图所示，通过将STB数字信号S1输入到数字信号采样电路100，可以检测到该数字信号的状态。将处于激活状态的STB数字信号S1输入电路100，相当于使数字信号采样电路100输入端经由开关K与电压源(例如+5V)相连接，如图1(a)所示。而将处于无效状态的STB数字信号S输入电路100，如图1(b)所示，相当于数字信号采样电路101的输入端经由开关K与悬浮端相连接。

STG数字信号也具有两种状态：激活状态和无效状态。通过STG数字信号的这两种状态可以分别反映对应的电器组件的工作状态(例如汽车液压过滤器状态、液压油水平状态等)。例如，当汽车液压过滤器组件工作不正常时，反映其状态的STG数字信号会处于激活状态；当液压过滤器工作正常时，反映其状态的STG数字信号会处于无效状态。

如图2所示，通过将STG数字信号S2输入到数字信号采样电路200，可以检测到该数字信号的状态。将处于激活状态的STG数字信号S2输入电路200，相当于数字信号采样电路200的输入端经由开关K与地相连接，如图2(a)所示。而将处于无效状态的数字信号S2输入电路200，如图2(b)所示，相当于该数字信号采样电路200的输入端经由开关K与悬浮端相连。

在现有技术中，针对这两种类型的数字信号，通常需要使用两个不同类型的数字信号采样电路以分开处理这两种信号。这使得***设计非常复杂，同时会降低可靠性。

因此，有必要提供一种电路装置和电路配置方法，使得能够以单个电路处理STB和STG两类开关信号。

发明内容

为此，本发明提出一种新的数字信号采样电路，其通过简单地接入或断开与晶体管基极上拉电阻相连的操作电压源，来同时适用于STB和STG这两类信号。这样，在STB和STG两种情况下，可以使用相同的PCBA(印刷电路板)布局而无需修改。

根据本发明的一个方面，提供一种电路装置，包括用于接收数字信号的输入端，所述数字信号包括开关到地数字信号和开关到电源数字信号；输出端以及开关电路单元，开关电路单元的驱动输入端与所述电路装置的输入端相耦合，开关电路单元的输出端与所述电路装置的输出端相耦合，并且开关电路单元的输出端还通过第一电阻与第一电压源相耦合。其中，所述电路装置进一步包括第二电压源与第二电阻，并且所述电路装置被配置为使得：当所述输入端处的输入数字信号是开关到地数字信号时，所述第二电压源经由所述第二电阻与所述输入端相耦合，使得当所述开关到地数字信号的状态为无效时所述开关电路单元导通；当所述输入端处的输入数字信号是开关到电源数字信号时，所述第二电压源与所述输入端断开。

在本发明的示例性实施例中，所述开关电路单元是具有偏置电阻的单管共射放大电路，其发射极接地，基极与所述输入端相耦合，集电极与所述输出端相耦合，所述集电极还通过第一电阻与应用电压源相耦合，并且当所述开关到地数字信号的状态为无效时所述放大电路基射极饱和。此外，所述单管共射放大电路可以包括一个晶体管和两个偏置电阻，其中，所述晶体管的基极经由第一偏置电阻与所述输入端相耦合，并且所述晶体管的基极经由第二偏置电阻与所述晶体管的发射极相耦合。

在本发明的示例性实施例中，所述电路装置可以进一步包括并联耦合在所述输入端和地之间的第一电容和瞬态电压抑制二极管。

在本发明的示例性实施例中，所述电路装置可以进一步包括第一二极管，其被配置为使得所述输入端经由所述第一二极管耦合到所述放大电路的基极。

在本发明的示例性实施例中，所述电路装置可以进一步包括串联在所述放大电路的基极和所述第一二极管之间的第三电阻，以及所述放大电路的基极经由第二二极管耦合到所述第一电压源。

在本发明的示例性实施例中，所述电路装置可以进一步包括耦合在所述放大电路的基极和所述地之间的第二电容。

根据本发明的示例性实施例，可以通过移除所述第二电阻使所述第二电压源与所述输入端断开。

在本发明的示例性实施例中，所述开关电路还可以是继电器开关电路或包括PNP/NPN晶体管或电力场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的半导体开关电路。

根据本发明的另一方面，提供一种通过单个电路装置对开关到地数字信号和开关到电源数字信号两种数字信号进行处理的方法，所述电路包括开关电路单元，开关电路单元的驱动输入端与所述电路装置的输入端相耦合，开关电路单元的输出端与所述电路装置的输出端相耦合，并且开关电路单元的输出端还通过第一电阻与第一电压源相耦合。其中，所述方法进一步包括配置第二电压源和第二电阻使得所述第二电压源根据所述输入端处的输入的数字信号的类型与所述输入端耦合或断开，其中当所述输入的数字信号是开关到地数字信号时，所述第二电压源通过所述第二电阻与所述输入端相耦合，使得当开关到地数字信号状态为无效时所述开关电路单元导通；当所述输入的数字信号是开关到电源数字信号时，所述第二电压源与所述输入端断开。

根据本发明的方案简化了***设计，适用范围广，并且可以提供很高的可靠性。此外，根据本发明的方案易于实现，并且很经济。

附图说明

现在将参照附图更详细描述本发明的实施例，其中相似的标号表示相似的元件，附图包括：

图1(a)和(b)分别示意性地示出STB数字信号的两种状态；

图2(a)和(b)分别示意性地示出STG数字信号的两种状态；

图3是示出其中可以应用根据本发明示例性实施例的***的框图；

图4是示出根据本发明示例性实施例的电路原理图；

图5是示出根据本发明示例性实施例的图4所示电路装置在输入STB数字信号时的电路原理图；

图6是示出根据本发明另一示例性实施例的电路原理图；

图7是示出根据本发明又一示例性实施例的电路原理图；

图8是示出根据本发明又一示例性实施例的电路原理图；

图9示出根据本发明示例性实施例的电路装置；

图10示出根据本发明另一示例性实施例的电路原理图；以及

图11示出根据本发明另一示例性实施例的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明根据本发明的示例性实施例。

图3示出其中可以应用根据本发明示例性实施例的***框图。图3所示的实施例以及本说明书稍后描述的其他实施例都是参考汽车机械电气控制来讨论的。然而，本领域的技术人员可以认识到，本发明的实施例并不局限于汽车机械电气控制或机械电气控制，而是可以适用于应用数字信号采样电路的任何适当的***、设备、装置、电子器件等等。

如图3所示，在汽车机械电气控制***中通常包括组件状态检测单元310，用于(例如通过传感器)检测各种组件的工作状态。其中，反映组件工作状态的数字信号可以大致分为STG信号和STB信号两类。例如反映液压过滤器状态、液压油水平状态等的数字信号属于STG数字信号，反映液压油锁状态等的数字信号属于STB数字信号。于是，相应地，可以将状态检测单元310中的信号检测模块划分为STG信号检测模块311和STB信号检测模块312。例如，STG信号检测模块311可以包括：液压过滤器模块313，用于检测液压过滤器的工作状态是否正常；液压油水平检测模块315，用于检测液压油水平状态是否正常。STB信号检测模块312可以包括：液压过滤锁模块314，用于检测液压油锁的工作状态是否正常。应理解，尽管在此仅示出了STG信号检测模块包括的两个模块和STB信号检测模块包括的一个模块，实际上在汽车机械电气控制中还存在属于STG信号检测模块或STB信号检测模块的多个其他检测模块。

组件状态检测单元310将反映各个组件工作状态的数字信号，例如，来自液压过滤器模块313的液压过滤器状态信号、来自液压油水平检测模块315的液压油水平状态信号以及来自液压油锁模块314的液压油锁状态信号，分别传送给数字信号采样电路320。

数字信号采样电路320分别对STG数字信号或STB数字信号进行处理，并将经过处理的工作状态信号输出给应用单元330。由于应用单元330因各个应用的不同，对所接受的信号电压大小，可承受灌入电流大小有针对性的要求，所以STB信号和STG信号不能简单的直接就作为应用单元330的输入，而是需要320将STB信号和STG信号处理成为单元330可以接受和响应的数字信号，才能间接的反映STB信号和STG信号状态。

应注意，在本发明的方案中，使用单个数字信号采用电路来调整STG信号和STB信号，而非传统的分开的两个数字信号采样电路。

应用单元330获得经过调整的工作状态信号，根据该信号可以获知相关组件的工作状态是否正常，并采取相应的操作，例如用于汽车电气控制。

以下参考图4和5描述根据本发明的一个实施例的数字信号采样电路的连接及工作原理。

图4示出根据本发明的简化的数字信号采样电路400的电路原理图。该电路的输入端I用于接入数字信号，包括STB数字信号或STG数字信号。该采样电路的输出端O与应用单元330相耦合，用于向应用单元330提供处理后的数字信号。

该采样电路还包括具有偏置电阻的单管共射放大电路410。例如，放大电路410可以包括如图4所示配置的一个晶体管TR1和两个偏置电阻R1和R2。

输入端I经由电阻R1连接到晶体管TR1的基极。晶体管TR1的发射极接电位地GND，并且基极经由电阻R2与发射极相连接。晶体管TR1的集电极经由电阻R3连接到输出端O，并且经由电阻R4连接到应用电压源Ua。该电压源可以是应用单元中的电压源，其电压位例如可以是+2.8V，并且不局限于2.8V。

该采样电路还包括上拉电阻R6。上拉电阻R6的一端与操作电压源Ub相耦合，另一端与输入端I相耦合。例如，该电阻可以是可移除的，从而允许根据输入信号属于STB数字信号还是STG数字信号，来将操作电压源与输入端I相耦合或不耦合。当输入端I处的输入数字信号属于STG数字信号时，操作电压源经由电阻R6与输入端I相连接，如图4所示；当输入端I处的输入数字信号属于STB数字信号时，移除电阻R6使得操作电压源与输入端I断开，如图5所示。

以下分别说明在两种数字信号输入的情况下的电路工作原理。当输入信号属于STG数字信号时，操作电压源Ub经由上拉电阻R6与信号输入端相耦合。在应用中，操作电压源一般为3.9伏特，但不局限于此。甚至于，操作电压源可以与应用电压源共用相同的电压源。

当STG数字信号处于无效状态时，该采样电路的输入端I悬置。于是该输入端I被上拉电阻R6上拉到操作电压源的3.9伏特，从而使得交点A处的电压位大于晶体管TR1的基射极饱和电压。于是，TR1被导通，使得交点B基本上与电位地GND连接，这意味这输出端O也基本上连接到电位地GND。于是，输出端处的信号可以被识别为低电位。

当STG数字信号处于激活状态时，该采样电路的输入端I被切换到地。于是，输入端I被直接下拉到GND。因此，交点A处为低电压位，该电压位不能使TR1导通，于是交点B不能连接到地GND，而是被集电极的上拉电阻R4上拉到应用电压源Ua的2.8伏特。这意味着，输出端O获得2.8伏特的电压。于是，输出端O处的信号可以被识别为高电位。

因此，如果数字信号输入是STG数字信号，则采样电路的输出能够相应地变化以显示输入信号的变化，从而供应用单元进行判断。

由上述分析可知，为了使TR1在适当的时候被导通，需要配置各个电阻的电阻值，以至少满足以下不等式

$\frac{R2}{R1+R2+R6}\×V_{\mathrm{Ub}}\≥V_{\mathrm{BE}\left(\mathrm{sat}\right)}\×\mathrm{\α}$

其中，V_Ub是操作电压源处的电位，通常为+3.9伏特；

V_BE(sat)是TR1的基射极饱和电压，通常为0.7伏特；

α是应用系数，可以根据实际应用来选择，例如可以是1.3。

在实际应用中，通常使得R6的电阻值小于78K欧姆，一般选在1K欧姆～47K欧姆。

当输入信号是STB数字信号时，输入端I与操作电压源Ub断开。例如，这可以通过移除电阻R6(如图5所示)来实现，或通过能使操作电压源Ub与输入端I不耦合的其他机制，例如开关、跳线等等，来实现。

当STB数字信号处于无效状态时，该采样电路的输入端I被悬置，于是，交点A被偏置电阻R2连接到地GND，显然这样的低电压位不能使晶体管TR1导通。于是，交点B不能连接到地GND，而是被集电极的上拉电阻R4上拉到应用电压源Ua。这意味着，输出端O可以获得2.8V的电压。于是，输出端处的信号可以被识别为高位。

当STB数字信号处于激活状态时，该采样电路的输入端I被切换到电压源(未示出)。在应用中，该电压源电压位通常为例如3～5V。于是该输入端I被上拉到该电压源，并使得交点A处的电压位大于晶体管TR1的基射极饱和电压。于是，晶体管TR1被导通，使得交点B基本上与地GND连接。这意味这输出端O也基本上连接到地GND。于是，输出端处的信号可以被识别为低位。

因此，如果数字信号输入是STB开关信号，则采样电路的输出也能够相应地变化以显示输入开关信号的变化，从而供应用单元进行判断。

在本发明的一个优选实施例中，如图6所示，可以在接入端I和地GND之间并联接入电容C11和瞬态电压抑制二极管D1(型号例如P6SMBJ36CA)，以消除输入信号中的脉冲干扰，并防止静电损害。

在本发明的一个优选实施例中，如图7所示，可以在接入端I和放大电路410的基极(例如晶体管TR1的基极分压电阻R1)之间增加二极管D2(型号例如MA2J1110)，来防止逆向电压损害信号根据本发明的采样电路。

在本发明的一个优选实施例中，如图8所示，可以在放大电路400的基极(即晶体管TR1的基极分压电阻R1)和输入端I之间增加串联电阻R5并在放大电路400的基极(即三极管TR1基极分压电阻R1)和应用电压源Ua之间接入二极管D3(型号例如MA2J1110)，以便防止过电压损害，例如防止+24V的汽车电池电压直接短路接在输入端I上。当发生过压时，R5和D3将能够抑制电流灌入应用电压源Ua，以防损害应用单元(例如330)中的电路，从而使得整个电路更加安全。因为容忍的灌入电流取决于产生电压源Ua的应用单元，所以，R5的电阻值取决于产生电压源Ua的应用单元。

此外，可以在放大电路400的基极(即晶体管TR1的基极分压电阻R1)和地GND之间接入电容C12，以消除因电阻R5和二极管D5串联而导致的脉冲干扰。

图9示出根据本发明示例性实施例的电路装置。在实际应用中，单管共射放大电路410可以使用PUMD2芯片来实现。PUMD2的管脚1即为放大电路410的发射极，管脚2即为放大电路410的基极，管脚6即为放大电路410的集电极。此外，上拉电阻R6的电阻值优选为1K欧姆，电阻R3的电阻值优选为220欧姆，电阻R4的电阻值优选为47K欧姆，电阻R5的电阻值优选为22K欧姆，电容C11的值优选为1000pF，电容C12的值优选为100pF。

尽管在上述实施例中通过晶体管放大电路响应于两种开关信号的状态而导通或不导通来工作，实际上如本领与技术人员容易想到的，可以使用其它开关电路单元来替换上述晶体管放大电路，以通过开关电路单元响应于两种开关信号的状态而导通或不导通来工作。例如可以使用功率半导体开关电路(如图10所示)或者继电器开关电路(如图11所示)。

图10示出采用半导体器件N沟道功率MOSFET来实现开关电路单元的实例。其中，虚线框410表示开关电路单元。框1012为具有开关特性的半导体器件N沟道功率MOSFET。框1014为半导体器件的驱动电路，其作用类似于晶体管的基极偏置电阻，只是对于其他的半导体器件而言，其驱动电路可能会比晶体管的基极偏置电阻更为复杂。实际上，该半导体器件还可以是PNP/NPN晶体管、功率MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)等器件。当这些半导体器件实现其开关功能时，便可以达到和本发明优选实例同样的选通STB信号和STG信号的功能。

图11示出采用继电器开关来实现开关电路单元的实例。如图11所示，虚线框410表示开关电路单元，虚线框内的框1112为继电器。对STG信号处理的实现原理如下：L1为继电器的工作线圈，当输入端I悬空时，L1与电压源Ub相连，于是线圈得电，继电器工作，继电器触点K1动作，其触点开关改变方向到另一触点(此处由黑点到白点)，A点由此被连接到GND，输出端O为低电位。当输入端I接地时，L1被下拉到GND，没有电流经过，因此继电器不工作，K1不动作保持原来触电状态(还是在黑点)，A点由此经电阻取得电压，为高电位。对于STB信号可用类似原理同样实现。另外，线圈L1还可以通过驱动电路与电压源Ub相连，并且驱动电路的输入端(也可以称为驱动输入端)与输入端I相耦合，从而使得能够驱动线圈L1使继电器工作。

实际上，在实现本发明的实施例时，共射放大电路可以根据实际需要另选其他同类芯片。并且上述附图都是简化了的电路示意图，本领域的技术人员容易想到，可以减少或替换其中的器件，或增加附加器件或电路，以将本发明的实施例应用于各种应环境中。附加地或者可替换地，可以用集成化方式将根据本发明的电路装置与其他现有电路进行结合，形成新的集成电路装置。

尽管已参照包括执行本发明的优选模式的特定例子描述了本发明，但本领域技术人员将意识到，落入本发明提出的权利要求的精神和范围内的上述电路装置和技术可以具有多种变化和置换。

Claims (12)

1.一种处理数字信号的电路装置，包括

用于接收数字信号的输入端，所述数字信号包括开关到地数字信号和开关到电源数字信号；

输出端，以及

开关电路单元，所述开关电路单元的驱动输入端与所述电路装置的输入端相耦合，所述开关电路单元的输出端与所述电路装置的输出端相耦合，并且所述开关电路单元的输出端还通过第一电阻与第一电压源相耦合；

其特征在于，所述电路装置进一步包括第二电压源和第二电阻，并且所述电路装置被配置为使得：

当所述电路装置的输入端处的输入数字信号是开关到地数字信号时，所述第二电压源经由所述第二电阻与所述电路装置的输入端相耦合，使得当所述开关到地数字信号的状态为无效时所述开关电路单元导通；

当所述电路装置的输入端处的输入数字信号是开关到电源数字信号时，所述第二电压源与所述电路装置的输入端断开。

2.如权利要求1所述的电路装置，其中所述开关电路单元是具有偏置电阻的单管共射放大电路，其发射极接地，基极与所述电路装置的输入端相耦合，集电极与所述电路装置的输出端相耦合，所述集电极还通过第一电阻与第一电压源相耦合，并且其中当所述开关到地数字信号的状态为无效时所述放大电路基射极饱和。

3.如权利要求2所述的电路装置，其中所述单管共射放大电路包括一个晶体管和两个偏置电阻，其中，所述晶体管的基极经由第一偏置电阻与所述电路装置的输入端相耦合，并且所述晶体管的基极经由第二偏置电阻与所述晶体管的发射极相耦合。

4.如权利要求3所述的电路装置，进一步包括：

并联耦合在所述电路装置的输入端和地之间的第一电容和瞬态电压抑制二极管。

5.如权利要求4所述的电路装置，进一步包括第一二极管，其被配置为使得所述电路装置的输入端经由所述第一二极管耦合到所述放大电路的基极。

6.如权利要求5所述的电路装置，进一步包括：

串联在所述放大电路的基极和所述电路装置的输入端之间的第三电阻，以及

第二二极管，其被配置为使得所述放大电路的基极经由第二二极管耦合到所述第一电压源。

7.如权利要求6所述的电路装置，进一步包括：

耦合在所述放大电路的基极和所述地之间的第二电容。

8.如权利要求1所述的电路装置，其中所述开关电路单元是继电器开关电路或包括PNP/NPN晶体管或电力场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的半导体开关电路。

9.如前述权利要求中的任何一个的电路装置，其中通过移除所述第二电阻使所述第二电压源与所述电路装置的输入端断开。

10.一种通过单个电路装置对开关到地数字信号和开关到电源数字信号两种数字信号进行处理的方法，所述电路包括开关电路单元，所述开关电路单元的驱动输入端与所述电路装置的输入端相耦合，所述开关电路单元的输出端与所述电路装置的输出端相耦合，并且所述开关电路单元的输出端还通过第一电阻与第一电压源相耦合，

其特征在于，所述方法包括配置第二电压源和第二电阻，使得所述第二电压源根据所述电路装置的输入端处输入的数字信号的类型与所述电路装置的输入端耦合或断开，其中

当所述输入的数字信号是开关到地数字信号时，所述第二电压源通过所述第二电阻与所述电路装置的输入端相耦合，使得当开关到地数字信号状态为无效时所述开关电路单元导通；

当所述输入的数字信号是开关到电源数字信号时，所述第二电压源与所述电路装置的输入端断开。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述开关电路单元是具有偏置电阻的单管共射放大电路，其发射极接地，基极与所述电路装置的输入端相耦合，集电极与所述电路装置的输出端相耦合，所述集电极还通过第一电阻与第一电压源相耦合，并且当开关到地数字信号状态为无效时所述放大电路基射极饱和。

12.如权利要求10所述的方法，其中通过移除所述第二电阻使所述第二电压源与所述电路装置的输入端断开。