CN105449645B - 一种信号发生器的输出保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种信号发生器的输出保护电路，其包括单片机、取样电路模块、比较电路模块、控制电路模块和输出电路模块。本发明通过取样电路模块获取信号发生器的输出回路的电流转化为电压值后反馈至比较电路模块与单片机控制输出的上下限值进行比较，并在电压值大于上限值或电压值小于下限值的时候，通过控制电路模块输出控制信号，输出电路模块基于控制信号且信号发生器的信号向外部输出。本发明采用硬件实现的，比软件启动速度快，保护能力强，可以让仪器在us级的时间内起到保护在正常输出时在过压和过流状态均起到保护。

Description

一种信号发生器的输出保护电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种信号发生器的输出保护电路。

背景技术

信号发生器，顾名思义，是产生信号的仪器，所以是输出类仪器，但是在电子研发、高校实验室等使用场合有的时候会出现使用者误将其与另一个输出类仪器（例如直流电源）对接，这样在没有输出保护电路的情况下将会对器件产生极大的伤害甚至损坏仪器，而且随着发展的需要，信号发生器的输出功率越来越大，甚至于可以对别的仪器造成损坏，但据作者了解到目前市面上的信号发生器均只有输出信号的功能，鲜有带输出保护功能的，而且有带保护功能的信号发生器也只有积极简单的定点保护（例如固定在电压超过24V才会启动保护），这样还是没有完全解决信号发生器的输出端保护问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种信号发生器的输出保护电路。

本发明采用的技术方案是：

一种信号发生器的输出保护电路，其包括单片机、取样电路模块、比较电路模块、控制电路模块和输出电路模块；

所述取样电路模块用以将输出回路中的电流转化为一个取样电压并反馈至比较电路模块，所述单片机具有上限引脚、下限引脚、过载引脚和启动控制引脚，上限引脚向比较电路模块提供用于与取样电压比较的上限值，下限引脚向比较电路模块提供用于与取样电压比较的下限值，所述比较电路模块将取样电压分别与单片机提供的上限值和下限值进行比较，比较电路模块的输出端连接控制电路模块，控制电路模块基于比较电路模块的输出电平进行控制动作，当故障出现时即检测信号在数值上大于上限值或小于下限值时，所述控制电路模块控制所述输出电路模块的断开输出继电器切断输出信号，同时反馈一过载信号至单片机的过载引脚，单片机基于过载信号提示过载；所述输出电路模块包括输出继电器和信号输出连接器，输出继电器具有一开关控制引脚、输入引脚和输出引脚，输出继电器的输出引脚连接信号输出连接器；

所示取样电路模块包括第二运放、第六电容、第七电容、第八电容、第五电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻，第十四电阻的一端分别连接输出继电器的输入引脚和第十三电阻的一端，第十四电阻的另一端连接第十二电阻的一端和信号发生器的输出端，第十三电阻的另一端分别连接第九电阻的一端和第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端接地，第九电阻的另一端分别连接第二运放的负输入端和第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第二运放的输出端，第十二电阻的另一端分别连接第八电阻的一端和第十电阻的一端，第十电阻的另一端接地，第八电阻的另一端分别连接第七电阻的一端和第二运放的正输入端，第七电阻的另一端接地，第二运放的正电源端分别连接正电源和第八电容的一端，第八电容的另一端接地，第二运放的负电源端分别连接第六电容的一端、第七电容的一端和负电源，第六电容的另一端和第七电容的另一端分别接地，

所述比较电路包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第一比较器和第二比较器，所述第二运放的输出端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第一比较器的负输入端和第二比较器的正输入端，第一比较器的正输入端连接下限引脚，第二比较器的负输入端连接上限引脚，第一比较器的正电源端分别连接第一电容的一端和正电源，第一电容的另一端接地，第一比较器的负电源端分别连接第二电容的一端和负电源，第二电容的另一端接地，第一比较器的输出端连接第一二极管的正极，第二比较器的输出端连接第二二极管的正极，第一二极管的负极和第二二极管的负极分别连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接控制电路模块的第一三极管的基极，

所述控制电路模块包括第二电阻、第四电阻、第六电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第一三极管和第二三极管，单片机的启动控制引脚连接第二电阻的一端和第三电容的一端，第三电容的另一端接地，第二电阻的另一端分别连接第一三极管的发射极和第四电容的一端，第四电容的另一端接地，第一三极管的基极分别连接单片机的过载引脚和第六电阻的一端，第六电阻的另一端接地，第一三极管的集电极连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接第二三极管的基极，第二三极管的基极通过第五电容接地，第二三极管的发射极接地，第二三极管的集电极连接输出继电器的开关控制引脚。

所述第一三极管为PNP型三极管。

所述第二三极管为NPN型三极管。

所述过载引脚为单片机的中断引脚。

所述第一比较器和第二比较器由双路的电压反馈型放大器AD8056来替换。

所述第二运放为运算放大器LMH6609。

本发明采用以上技术方案，当用户操作面板开启开关时，单片机将启动控制引脚置1，在没有异常情况时，过载引脚为0，第一三极管、第二三极管均导通，输出继电器的开关控制引脚为0，输出继电器吸合，信号正常输出；输出回路中的电流（无论是正向还是反向）将由取样电路转化为一个取样电压，上限值和下限值均是由单片机控制的一个DAC值，（该值保护电流大小相关）。假设此时有一个反向的电流而且电流值超出设定电流值，也即取样电压＜下限值，此时从比较电路模块输出一个高电平，使得第一三极管截止，这样第二三极管也将截止，输出继电器断开，进而关闭输出信号。同理，如果是一个正向电流而且电流值超出设定电流值，取样电压＞上限值，比较电路模块输出一个高电平，同样会使第一三极管截止，这样第二三极管也将截止，最终导致输出继电器断开，输出信号关闭。并且在输出继电器断开的同时，控制电路模块均会输出一过载信号反馈到单片机的对应的过载引脚，该过载引脚为单片机的中断口，这样在关闭输出信号的同时，单片机也会接收到负载异常的信号，单片机将其启动控制引脚置0，并在屏幕上提示“负载有异常情况”，至此，完成保护整个过程。

本发明采用硬件实现的，比软件启动速度快，保护能力强，可以让仪器在us级的时间内起到保护在正常输出时在过压和过流状态均起到保护。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1本发明一种信号发生器的输出保护电路的原理框图；

图2本发明一种信号发生器的输出保护电路的电路结构示意图。

具体实施方式

如图1或2所示，本发明包括单片机U0、取样电路模块、比较电路模块、控制电路模块和输出电路模块；

所述取样电路模块用以将输出回路中的电流转化为一个取样电压并反馈至比较电路模块，所述单片机具有上限引脚+VERF、下限引脚-VERF、过载引脚OVERLOAD和启动控制引脚SET，上限引脚+VERF向比较电路模块提供用于与取样电压比较的上限值，下限引脚-VERF向比较电路模块提供用于与取样电压比较的下限值，所述比较电路模块将取样电压分别与单片机U0提供的上限值和下限值进行比较，比较电路模块的输出端连接控制电路模块，控制电路模块基于比较电路模块的输出电平进行控制动作，当故障出现时即检测信号在数值上大于上限值或小于下限值时，所述控制电路模块控制所述输出电路模块的断开输出继电器U3切断输出信号，同时反馈一过载信号至单片机U0的过载引脚OVERLOAD，单片机U0基于过载信号提示过载；所述输出电路模块包括输出继电器U3和信号输出连接器U4，输出继电器U3具有一开关控制引脚ON_OFF、输入引脚A3和输出引脚A4，输出继电器U3的输出引脚A4连接信号输出连接器U4；

所示取样电路模块包括第二运放U2、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14，第十四电阻R14的一端分别连接输出继电器U3的输入引脚A3和第十三电阻R13的一端，第十四电阻R14的另一端连接第十二电阻R12的一端和信号发生器的输出端WAVE，第十三电阻R13的另一端分别连接第九电阻R9的一端和第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端接地，第九电阻R9的另一端分别连接第二运放U2的负输入端和第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端连接第二运放U2的输出端，第十二电阻R12的另一端分别连接第八电阻R8的一端和第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端接地，第八电阻R8的另一端分别连接第七电阻R7的一端和第二运放U2的正输入端，第七电阻R7的另一端接地，第二运放U2的正电源端分别连接正电源+5V和第八电容C8的一端，第八电容C8的另一端接地，第二运放U2的负电源端分别连接第六电容C6的一端、第七电容C7的一端和负电源-5V，第六电容C6的另一端和第七电容C7的另一端分别接地，

所述比较电路包括第一电阻R1、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管Q1、第二二极管Q2、第一比较器U1A和第二比较器U1B，所述第二运放U2的输出端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端分别连接第一比较器U1A的负输入端和第二比较器U1B的正输入端，第一比较器U1A的正输入端连接下限引脚，第二比较器U1B的负输入端连接上限引脚，第一比较器U1A的正电源端分别连接第一电容C1的一端和正电源，第一电容C1的另一端接地，第一比较器C1的负电源端分别连接第二电容C2的一端和负电源-5V，第二电容C2的另一端接地，第一比较器U1A的输出端连接第一二极管D1的正极，第二比较器U1B的输出端连接第二二极管D2的正极，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的负极分别连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接控制电路模块的第一三极管Q1的基极，

所述控制电路模块包括第二电阻R2、第四电阻R4、第六电阻R6、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一三极管Q1和第二三极管Q2，单片机U0的启动控制引脚SET连接第二电阻R2的一端和第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端接地，第二电阻R2的另一端分别连接第一三极管Q1的发射极和第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端接地，第一三极管Q1的基极分别连接单片机U0的过载引脚OVERLOAD和第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端接地，第一三极管Q1的集电极连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接第二三极管Q2的基极，第二三极管Q2的基极通过第五电容C5接地，第二三极管Q2的发射极接地，第二三极管Q2的集电极连接输出继电器U3的开关控制引脚ON_OFF。

所述第一三极管Q1为PNP型三极管。

所述第二三极管Q2为NPN型三极管。

所述过载引脚OVERLOAD为单片机U0的中断引脚。

所述第一比较器U1A和第二比较器U1B由双路的电压反馈型放大器AD8056来替换。

所述第二运放U2为运算放大器LMH6609。

下面就本发明的工作原理作详细说明：

当用户操作面板开启开关时，单片机将启动控制引脚置1，在没有异常情况时，过载引脚为0，Q1、Q2均导通，输出继电器的开关控制引脚为0，继电器U3吸合，信号正常输出；输出回路中的电流（无论是正向还是反向）通过取样电路的取样电阻R14转化为一个取样电压,设为V1（在R3上可测得），而-VREF和+VREF对应单片机U0控制的下限引脚和上限引脚，上限引脚提供的上限值和下限引脚提供的下限值是由单片机U0控制的一个DAC值（该值由R14和设计的保护电流大小决定），假设此时有一个反向的电流而且电流值超出设定电流值，也即V1＜-VREF的下限值，此时从U1A的输出脚将输出一个高电平，通过D1、R1使Q1截止，这样Q2也将截止，继电器断开，输出信号关闭，同理，如果是一个正向电流V1＞+VREF的上限值，U1B输出一个高电平，通过D2、R2同样会使Q1截止，最终导致输出继电器U3断开，输出信号关闭；在输出继电器U3断开的同时，将会反馈过载信号到单片机U0的对应的过载引脚OVERLOAD，该过载引脚OVERLOAD对应单片U0机的中断口（注意是中断口，不是普通IO口），这样在关闭输出信号的同时，单片机U0也会接收到负载异常的信号，果断将启动控制引脚置0，并在屏幕上提示“负载有异常情况”，至此，完成保护整个过程。

以上分析的是检测电流的保护过程，电压检测保护过程与此类似，只是检测无需使用取样电阻来将电流转化为电压，直接使用电阻分压降压得到的电压与±VREF对应的上下值做比较，其他部分工作原理无异，这里不再赘述。需要特别指出的是±VREF对应的上下值是随着设置信号的幅度单片机智能调整的，要保证正常信号输出的同时又要在异常情况能起到保护作用。

在本方案中，运算放大器的选型可以考虑高频、快速、低温漂、低偏置电压的器件，本方案中U1用的是AD8056（电压反馈型放大器），U2用的是LMH6609（运算放大器），而R10~R13的取值出来考虑分压外，还需要注意功率问题，毕竟输出电压最高有达到20Vpp，另外运放需工作在正负电源模式。

本发明采用硬件实现的，比软件启动速度快，保护能力强，可以让仪器在us级的时间内起到保护在正常输出时在过压和过流状态均起到保护。

Claims (6)

1.一种信号发生器的输出保护电路，其特征在于：其包括单片机、取样电路模块、比较电路模块、控制电路模块和输出电路模块；

所述取样电路模块用以将输出回路中的电流转化为一个取样电压并反馈至比较电路模块，所述单片机具有上限引脚、下限引脚、过载引脚和启动控制引脚，上限引脚向比较电路模块提供用于与取样电压比较的上限值，下限引脚向比较电路模块提供用于与取样电压比较的下限值，所述比较电路模块将取样电压分别与单片机提供的上限值和下限值进行比较，比较电路模块的输出端连接控制电路模块，控制电路模块基于比较电路模块的输出电平进行控制动作，当故障出现时即检测信号在数值上大于上限值或小于下限值时，所述控制电路模块控制所述输出电路模块的断开输出继电器切断输出信号，同时反馈一过载信号至单片机的过载引脚，单片机基于过载信号提示过载；所述输出电路模块包括输出继电器和信号输出连接器，输出继电器具有一开关控制引脚、输入引脚和输出引脚，输出继电器的输出引脚连接信号输出连接器；

所示取样电路模块包括第二运放、第六电容、第七电容、第八电容、第五电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻，第十四电阻的一端分别连接输出继电器的输入引脚和第十三电阻的一端，第十四电阻的另一端连接第十二电阻的一端和信号发生器的输出端，第十三电阻的另一端分别连接第九电阻的一端和第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端接地，第九电阻的另一端分别连接第二运放的负输入端和第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第二运放的输出端，第十二电阻的另一端分别连接第八电阻的一端和第十电阻的一端，第十电阻的另一端接地，第八电阻的另一端分别连接第七电阻的一端和第二运放的正输入端，第七电阻的另一端接地，第二运放的正电源端分别连接正电源和第八电容的一端，第八电容的另一端接地，第二运放的负电源端分别连接第六电容的一端、第七电容的一端和负电源，第六电容的另一端和第七电容的另一端分别接地，

所述比较电路包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第一比较器和第二比较器，所述第二运放的输出端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第一比较器的负输入端和第二比较器的正输入端，第一比较器的正输入端连接下限引脚，第二比较器的负输入端连接上限引脚，第一比较器的正电源端分别连接第一电容的一端和正电源，第一电容的另一端接地，第一比较器的负电源端分别连接第二电容的一端和负电源，第二电容的另一端接地，第一比较器的输出端连接第一二极管的正极，第二比较器的输出端连接第二二极管的正极，第一二极管的负极和第二二极管的负极分别连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接控制电路模块的第一三极管的基极，

所述控制电路模块包括第二电阻、第四电阻、第六电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第一三极管和第二三极管，单片机的启动控制引脚连接第二电阻的一端和第三电容的一端，第三电容的另一端接地，第二电阻的另一端分别连接第一三极管的发射极和第四电容的一端，第四电容的另一端接地，第一三极管的基极分别连接单片机的过载引脚和第六电阻的一端，第六电阻的另一端接地，第一三极管的集电极连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接第二三极管的基极，第二三极管的基极通过第五电容接地，第二三极管的发射极接地，第二三极管的集电极连接输出继电器的开关控制引脚。

2.根据权利要求1所述一种信号发生器的输出保护电路，其特征在于：所述第一三极管为PNP型三极管。

3.根据权利要求1所述一种信号发生器的输出保护电路，其特征在于：所述第二三极管为NPN型三极管。

4.根据权利要求1所述一种信号发生器的输出保护电路，其特征在于：所述过载引脚为单片机的中断引脚。

5.根据权利要求1所述一种信号发生器的输出保护电路，其特征在于：所述第一比较器和第二比较器由双路的电压反馈型放大器AD8056来替换。

6.根据权利要求1所述一种信号发生器的输出保护电路，其特征在于：所述第二运放为运算放大器LMH6609。