TWI448079B - 數位輸入電路 - Google Patents

Description

數位輸入電路

本發明是有關於一種在例如可編程邏輯控制器(PLC)中使用的數位輸入電路。

通常，PLC被廣泛地應用於對各種外部裝置的控制。近來，要控制的外部裝置趨於具有複雜的組態(configuration)，從而要求高速地處理輸入/輸出信號。

已經提出了通用的PLC單元1’，如圖2所示，該PLC單元1’包括了與要控制的外部裝置11’相連的外部連接器15’，與具有用於執行例如順序程式的CPU的CPU單元相連的連接連接器(connection connector)16’，用於基於CPU所執行的順序程式來執行對外部裝置11’的順序控制的可編程邏輯元件(PLD)17’，以及具有例如用於顯示PLC單元1’的操作狀態的發光二極體的顯示單元18’。PLC單元1’還包括隔離單元19’、設置開關20’以及電源單元21’，該隔離單元19’設置在外部連接器15’和PLD 17’之間並且具有多個光電耦合器，其用於在將外部連接器15’和PLD 17’彼此電性隔離的同時傳輸各輸入和輸出信號；該設置開關20’用於設置PLD 17’的操作狀態；該電源單元21’用於向PLD 17’、顯示單元18’、隔離單元19’以及設置單元20提供電能(例如，參見日本專利申請公開No.2002-222003)。此外，PLD 17’設置有微型計算機(下文中，簡稱為“微機”)12’，用於檢測來自外部裝置11’的輸入 信號或者將輸出信號輸出到外部裝置11’。

在圖2中示出的通用的PLC單元1’中，可以將與由一個發光二極體和一個光電電晶體構成的通用的光電耦合器相比而具有高響應速度的高速光電耦合器用作隔離單元19’的數位輸入電路的光電耦合器，作為數位輸入/輸出電路。在這種情況下，PLC單元1’可以對通過外部連接器15’從外部裝置11’輸入且在高位準和低位準之間快速且重複改變的輸入信號的電壓位準進行響應。然而，與通用的光電耦合器相比，高速光電耦合器昂貴，從而使得難以由低成本實現上述數位輸入電路。

相應地，提出了一種使用通用的光電耦合器的數位輸入電路2’，該數位輸入電路2’包括例如一對輸入端子T3’和T4’以及通用的光電耦合器PC5’，輸入信號通過該對輸入端子T3’和T4’而從例如外部裝置11’輸入，以及通用的光電耦合器PC5’用於將輸入信號從輸入端子T3’和T4’傳輸到例如微機12’，如圖3中所示(例如參見日本實用新型申請公開No.S63-147702)。

光電耦合器PC5’由包括發光二極體LD6’和光電電晶體PT8’的封裝(package)形成，該光電電晶體PT8’面對發光二極體LD6’，並且根據發光二極體LD6’的導通和截止而導通和截止。

在如上所述的數位輸入電路2’中，光電耦合器PC5’的發光二極體LD6’經由電阻器R9’而連接在輸入端子T3’和T4’之間，用於限制電流。電阻器R10’與發光二極體LD6’ 並聯。此外，光電耦合器PC5’的光電電晶體PT8’的集極端與電源Vcc的正極側相連，以及光電電晶體PT8’的射極端經由電阻器R23’和緩衝電路BU26’而與微機12’的輸入端口相連。此外，光電電晶體PT8’的射極端和電阻器R23’之間的連接節點經由電阻器R24’接地。電阻器R23’和緩衝電路BU26’之間的連接節點經由電容器C25’接地。

在下文中，將描述圖3中示出的數位輸入電路2’的操作。

例如，如果從外部裝置11’輸入的輸入信號的電壓位準從低變到高，則在輸入端子T3’和T4’之間施加二極體導通電壓。相應地，發光二極體LD6’導通，並且電流I11’在光電耦合器PC5’的發光二極體LD6’中流動。結果是，光電電晶體PT8’導通(即，變為導通(ON)狀態)。隨後，微機12’的輸入端口的電壓位準從低變到高。

另一方面，如果該輸入信號的電壓位準從高變到低，則在輸入端子T3’和T4’之間未施加二極體導通電壓。相應地，發光二極體LD6’截止，並且電流I11’不在光電耦合器PC5’的發光二極體LD6’中流動。結果是，光電電晶體PT8’截止(即，變為截止(OFF)狀態)。隨後，微機12’的輸入端口的電壓位準從高變到低。

相應地，在包括這種具有微機(其具有與具有圖3中示出的電路配置的數位輸入電路2’的緩衝電路BU26’的輸出端子相連的輸入端口)的PLC中，可以通過該微機來檢測來自外部裝置的輸入信號的電壓位準(高位準或低位準)。

在具有圖3中示出的電路配置的數位輸入電路2’中，光電電晶體PT8’的射極端經由電阻器R24’接地。因此，當光電電晶體PT8’處於導通狀態時，光電電晶體PT8’的集極-射極電壓變為接近於0V，並且光電電晶體PT8’處於飽和狀態。相應地，當光電電晶體PT8’的狀態從導通狀態切換到截止狀態時，由於光電電晶體PT8’的鏡像效應以及光電電晶體PT8’的基極-射極電容的長期累積時間(基極儲存時間)，導致發生響應延遲。因此’如果(高速脈衝的)輸入信號的電壓位準在具有圖3中示出的電路配置的數位輸入電路2’中高速地重複變化，則難以在微機12’中識別所有的輸入信號。

因此，為了對高速脈衝的輸入信號進行響應，優選使用具有高響應速度的光電耦合器，而不是通用的光電耦合器。然而，難以利用具有高響應速度的光電耦合器，以低成本實現該數位輸入電路。

鑒於上述問題，本發明提供了一種能夠以低成本實現高響應速度的數位輸入電路。

根據本發明的一個實施例，提供了一種數位輸入電路，包括：一對輸入端子，通過該對輸入端子輸入數位電壓信號的輸入信號；電源；用作信號傳輸元件的光電耦合器，用於將所述輸入信號從所述輸入端子傳輸到微型計算機的輸入端口，並且所述光電耦合器具有一個發光二極體和一個光電電晶體，其中所述光電耦合器的發光二極體連 接在所述輸入端子之間，所述光電電晶體的集極與所述電源的正極側相連，以及所述光電電晶體的射極經由第一電阻器接地；第二電阻器，用於上拉(pull up)所述微型計算機的輸入端口；以及雙極性電晶體，該雙極性電晶體設置在地和所述第二電阻器之間，其中所述雙極性電晶體的集極與所述第二電阻器相連，所述雙極性電晶體的射極接地，以及所述雙極性電晶體的基極與所述光電電晶體的射極和所述第一電阻器之間的連接節點相連。

在這個組態中，所述光電電晶體的射極經由所述第一電阻器接地。所述雙極性電晶體設置在地和用於上拉所述微型計算機的輸入端口的第二電阻器之間。在上述電晶體中，集極與所述第二電阻器相連，射極接地。上述電晶體的基極與所述第一電阻器和所述光電電晶體的射極之間的連接節點相連。相應地，當所述光電電晶體導通時，所述連接節點處的電位變為等於所述雙極性電晶體的基極-射極電壓。因此，所述光電電晶體的集極-射極電壓不會變為0V。因此，在其中在將光電電晶體維持在非飽和狀態的同時導通和截止所述雙極性電晶體的狀態下，可以在所述微型計算機的輸入端口處識別所述輸入信號。

此外，由於所述光電電晶體的集極-射極電壓擺動小，所述光電電晶體的鏡像效應很難發生。此外，可以在所述光電電晶體未處於飽和狀態且所述光電電晶體的集極-射極電壓在小範圍內變化時，執行切換操作。相應地，當所述光電電晶體的狀態從導通狀態變為截止狀態時，可以縮 短由於所述鏡像效應和所述光電電晶體的基極-射極電容的長期累積時間而發生的響應延遲。

此外，儘管具有高響應速度的光電耦合器未被用作信號傳輸元件，但是可以利用上述包括一個發光二極體和一個光電電晶體的光電耦合器，在所述微型計算機的輸入端口處識別高速脈衝的輸入信號。因此，可以通過使用例如雙極性電晶體和第二電阻器(上拉電阻器)之類的不昂貴的通用的電路元件以及上述包括一個發光二極體和一個光電電晶體的光電耦合器，以低成本實現高響應速度。

根據本發明的實施例，可以提供以低成本實現高響應速度的數位輸入電路。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

根據結合附圖給出的下述對實施例的描述，本發明的目的和特徵將變得顯而易見。

將參照附圖描述本發明的實施例，所述附圖構成所述實施例的一部分。

根據本發明的實施例的數位輸入電路2可以在例如圖2中示出的可編程邏輯控制器(PLC)單元1’的隔離單元19，中使用，並且該數位輸入電路2包括通用的光電耦合器，該光電耦合器用作信號傳輸元件，並且具有一個發光二極體和一個光電電晶體。具體地，如圖1所示，數位輸 入電路2包括一對輸入端子T3和T4，通過該對端子從例如圖2中示出的外部裝置11’輸入數位電壓輸入信號；用作信號傳輸元件的通用的光電耦合器PC5，用來將輸入信號從輸入端子T3和T4傳輸到微型計算機(下文中，簡稱為“微機”)12，並且該通用的光電耦合器PC5具有一個發光二極體LD6和一個光電電晶體PT8；以及通用的雙極性電晶體TR13，該通用的雙極性電晶體TR13允許所述微機12通過所述光電電晶體PT8的切換操作，檢測來自外部裝置的輸入信號的電壓位準。

微機12包括用於檢測來自外部裝置的輸入信號的電壓位準(高位準或低位準)的輸入端口T1。在該PLC中，在微機12中識別來自外部裝置的輸入信號，並且微機12執行在記憶體中存儲的順序程式。

光電耦合器PC5包括用作發光元件的發光二極體LD6以及用作受光元件的光電電晶體PT8，該光電電晶體PT8面對發光二極體LD6，該發光二極體LD6和光電電晶體PT8佈置在一個封裝(例如，樹脂封裝等)中。在發光二極體LD6和光電電晶體PT8彼此電性隔離時，傳輸該輸入信號。

在數位輸入電路2中，發光二極體LD6經由電阻器R9連接在輸入端子T3和T4之間，用於限制電流。電阻器R10與發光二極體LD6並聯連接。光電耦合器PC5的光電電晶體PT8的集極端與電源Vcc的正極側相連，以及光電電晶體PT8的射極端經由電阻器R14接地。此外， NPN型電晶體TR13設置在地和用於上拉微機12的輸入端口T1的上拉電阻器R22之間。電晶體TR13的集極端經由上拉電阻器R22而連接(上拉)到電源Vcc的正極側，以及電晶體TR13的射極端直接接地。此外，電晶體TR13的基極與光電電晶體PT8的射極端和電阻器R14之間的連接節點A相連。電晶體TR13的集極端和上拉電阻器R22之間的連接節點與微機12的輸入端口T1相連。

在這種情況下，當在未向數位輸入電路2施加輸入信號的同時將Vcc功率提供給數位輸入電路2時，輸入端口T1的電壓位準變為高位準(電源Vcc的電壓位準)。來自外部裝置的輸入信號的電壓位準由具有這種輸入端口T1的微機12來檢測。

在下文中，將描述根據本發明的實施例的數位輸入電路2的操作。

例如，如果從外部裝置輸入的輸入信號的電壓位準從低變到高，則在輸入端子T3和T4之間施加二極體導通電壓。相應地，發光二極體LD6導通，並且電流I11在光電耦合器PC5的發光二極體LD6’中流動。結果是，光電電晶體PT8變為導通狀態。以電阻器R14和光電電晶體PT8的射極端之間的連接節點A的電位，對電晶體TR13的基極/射極進行偏置(biased)，並且電晶體TR13導通。因此，微機12的輸入端口T1的電壓位準從高(電源Vcc的電壓位準)變到低。

相應地，當光電電晶體PT8處於導通狀態時，電阻器 R14和光電電晶體PT8的射極端之間的連接節點A處的電位變為等於電晶體TR13的基極-射極電壓。因此，在光電電晶體PT8的集極-射極電壓不會變為0V的同時，集極電流在光電電晶體PT8中流動。因此，可以在其中在將光電電晶體PT8維持為非飽和狀態的同時導通和截止電晶體TR13的狀態下，在微機12的輸入端口T1處識別輸入信號的電壓位準。

如果從外部裝置輸入的輸入信號的電壓位準從高變到低，則在輸入端子T3和T4之間施加二極體導通電壓。相應地，發光二極體LD6截止，並且電流I11不在光電耦合器PC5的發光二極體LD6’中流動。因此，光電電晶體PT8變為截止狀態。如果光電電晶體PT8變為截止狀態，則集極電流不會在光電電晶體PT8中流動，並且因此電晶體TR13的基極/射極未被正向偏置。相應地，電晶體TR13也變為截止狀態，並且微機12的輸入端口T1的電壓位準從低變到高(電源Vcc的電壓位準)。

相應地，在包括這種具有與具有圖1中示出的電路配置的數位輸入電路2的電晶體TR13的集極端和上拉電阻R22之間的連接節點相連的輸入端口T1的微機12的PLC中，可以通過該微機12來檢測來自外部裝置的輸入信號的電壓位準中的變化(高位準或低位準)。

在上述數位輸入電路2中，光電電晶體PT8的射極端經由電阻器R14接地。雙極性電晶體TR13設置在地和用於上拉微機12的輸入端口T1的上拉電阻器R22之間。在 電晶體TR13中，集極端與上拉電阻器R22相連，以及射極端接地。電晶體TR13的基極端與光電電晶體PT8的射極端和電阻器R14之間的連接節點A相連。相應地，當光電電晶體PT8導通時，連接節點A處的電位變為等於雙極性電晶體TR13的基極-射極電壓。因此，光電電晶體PT8的集極-射極電壓不會變為0V。因此，可以在其中在將光電電晶體PT8維持為非飽和狀態的同時導通和截止雙極性電晶體TR13的狀態下，在微機12的輸入端口T1識別輸入信號。此外，由於光電電晶體PT8的集極-射極電壓擺動小，所以光電電晶體PT8的鏡像效應很難發生。

在根據本發明的上述實施例的數位輸入電路2中，可以在光電電晶體PT8未處於飽和狀態且光電電晶體PT8的集極-射極電壓在小範圍內變化時，執行切換操作。相應地，當光電電晶體PT8的狀態從導通狀態變為截止狀態時，可以縮短由於所述鏡像效應和光電電晶體PT8的基極存儲時間而發生的響應延遲。此外，儘管具有高響應速度的光電耦合器未被用作信號傳輸元件，但是可以利用包括一個發光二極體LD6和一個光電電晶體PT8的通用的光電耦合器PC5，在所述微機12的輸入端口T1處識別高速脈衝的輸入信號。因此，可以通過使用例如電晶體TR13和上拉電阻器R22之類的不昂貴的通用的電路元件以及上述通用的光電耦合器PC5，以低成本實現高響應速度。

儘管已經相關於上述實施例示出和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解的是，可以在不背離下述申請專 利範圍所限定的本發明的範圍的情況下，進行各種改變和修改。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1’‧‧‧可編程邏輯控制器(PLC)單元

2‧‧‧數位輸入電路

11’‧‧‧外部裝置

12、12’‧‧‧微機

15’‧‧‧外部連接器

16’‧‧‧連接連接器

17’‧‧‧可編程邏輯元件(PLD)

18’‧‧‧顯示單元

19’‧‧‧隔離單元

20’‧‧‧設置開關

21’‧‧‧電源單元

LD6‧‧‧發光二極體

PC5‧‧‧光電耦合器

PT8‧‧‧光電電晶體

TR13‧‧‧雙極性電晶體

T1‧‧‧輸入端口

T3、T4‧‧‧輸入端子

圖1例示了示出根據本發明的一實施例的數位輸入電路的電路圖。

圖2例示了傳統上通用的PLC單元的方塊圖。

圖3例示了示出傳統上的數位輸入電路的電路圖。

2‧‧‧數位輸入電路

12‧‧‧微機

LD6‧‧‧發光二極體

PC5‧‧‧光電耦合器

PT8‧‧‧光電電晶體

TR13‧‧‧雙極性電晶體

T1‧‧‧輸入端口

T3、T4‧‧‧輸入端子

Claims (1)

1. 一種數位輸入電路，包括：一對輸入端子，通過該對輸入端子而輸入數位電壓信號的輸入信號，其中所述對輸入端子包括第一輸入端子以及第二輸入端子；電源；用作信號傳輸元件的光電耦合器，用於將所述輸入信號從所述輸入端子傳輸到微型計算機的輸入端口，並且所述光電耦合器具有一個發光二極體和一個光電電晶體，其中所述光電耦合器的發光二極體連接在所述輸入端子之間，所述光電電晶體的集極連接到所述電源的正極側，以及所述光電電晶體的射極經由第一電阻器接地；第二電阻器，所述第二電阻器的第一端連接所述電源，所述第二電阻器的第二端直接連接所述微型計算機的輸入端口，所述第二電阻器用於上拉所述微型計算機的輸入端口；第三電阻器，所述第三電阻器的第一端直接連接所述第一輸入端子，所述第三電阻器的第二端連接所述發光二極體的陽極；第四電阻器，所述第四電阻器的第一端連接所述發光二極體的陽極與所述第三電阻器的第二端，所述第四電阻器的第二端直接連接所述發光二極體的陰極與所述第二輸入端子；以及設置在所述地和所述第二電阻器之間的雙極性電晶 體，其中所述雙極性電晶體的集極連接到所述第二電阻器，所述雙極性電晶體的射極接所述地，以及所述雙極性電晶體的基極連接到所述光電電晶體的射極和所述第一電阻器之間的連接節點。