專利名稱：一種數字化硬件保護電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電氣自動化控制領域，特別涉及一種數字化硬件保護電路。
背景技術：
為了防止重大事故的發生，機車牽引變流器中均設置了數字化硬件保護電 路。當所述牽引變流器中的工作信號，例如電壓或電流等，超過預先設定的閥 值電壓時，數字化硬件保護電路中的執行單元動作，切斷工作電路，從而防止 重大事故的發生。
參見圖1,該圖為現有技術中數字化硬件保護電路的原理圖。 數字化硬件保護電路主要包括電壓比較器。電壓比較器是一種用來比較輸
入電壓和參考電壓的電路元件。記所述輸入電壓為^，所述參考電壓為t^,。 所述^加于電壓比較器的同向輸入端(+)。所述f^,加于所述電壓比較器的反向
輸入端(-)。所述t/^可以是正值，也可以是負值。當所述C4小于所述t/^時， 電壓比較器輸出端輸出邏輯低電平。當所述t4大于所述t^時，電壓比較器輸 出端輸出邏輯高電平。將電壓比較器輸出端從一個電平跳變到另一個電平的相 應輸出電壓稱為門限電壓或岡值電壓，記為^, &=c/re/。
傳感器將牽引變流器中工作信號轉換為電壓信號，作為所述電壓比較器的 t/,"。將所述^與預先設定的容許岡值進行比較。所述容許閥值即為所述t^,。 當所述C4大于所述c^,時，電壓比較器輸出端輸出高電平，執行單元動作，切 斷工作電路，從而防止重大事故的發生。
參見圖2,該圖為現有技術中電阻分壓的數字化硬件保護電路的原理圖。
現有的數字化硬件保護電路中的閥值電壓是通過電阻分壓進行設置的。數 字化硬件保護電路主要由 一個電壓比較器和兩個分壓電阻組成。第 一分壓電阻 ^的一端接電源電壓rac，另一端接電壓比較器的反向輸入端(-)。第二分壓電 阻A的一端接所述電壓比較器的反向輸入端(-),另一端接地。
由電阻分壓原理可得，所述闊值電壓即參考電壓為"ref。由此可見，只要選取合適的分壓電阻即可得到需要的閥值電壓。
但是，不同的閥值電壓需要選擇不同的分壓電阻，而且一旦設置好所述分
壓電阻，所述閥值電壓的后續調整極為不便。從而造成數字化硬件保護電路不
能通用。
實用新型內容
本實用新型解決的技術問題是提供一種數字化硬件保護電路，該數字化硬 件保護電路可以方便設置閥值電壓，并且具有通用性。
本實用新型提供一種數字化硬件保護電路，包括閥值電壓設置單元、電 壓比較器和執行單元；
所述閥值電壓設置單元，用于生成閥值電壓，發送所述岡值電壓至所述電 壓比較器的反向輸入端； 所述電壓比較器，用于比較正向輸入端的輸入電壓和所述閥值電壓，當所 述輸入電壓大于所述閥值電壓時，所述電壓比較器輸出邏輯高電平至執行單
元；
所述執行單元，用于接到所述邏輯高電平后動作。 優選地，所述數字化硬件保護電路還包括模數轉換單元，所述模數轉換單 元的輸入端連接所述電壓比較器的反向輸入端，用于將所述閥值電壓轉換成數
字電壓，輸出至所述閥值電壓設置單元；所述閥值電壓設置單元還用于^r測所 述數字電壓與發送到電壓比較器的閥值電壓是否一致，如果否，則發出故障報 警信息。
優選地，所述閥值電壓設置單元包括數字閥值電壓設置單元和數模轉換單
元；
所述數字閥值電壓設置單元，用于設置數字閥值電壓； 所述數模轉換單元，用于將所述數字閥值電壓轉換為模擬閥值電壓。 優選地，還包括鎖存器，所述鎖存器連接于所述數字閥值電壓設置單元和 所述數模轉換器之間，用于將所述數字閥值電壓鎖存預定時間間隔，當所述數
;f莫轉換器完成轉換后結束鎖存狀態。
4優選地，還包括支撐電容，所述支撐電容連接于所述電壓比較器的反向輸 入端和i也之間。
優選地，所述正向輸入端的輸入電壓是由傳感器采集的牽引變流器的電壓 信號或電流信號。
優選地，所述閥值電壓設置單元為數字信號處理器或單片機。 優選地，所述執行單元為繼電器或接觸器。
與現有技術相比，本實用新型具有以下優點
本實用新型提供一種數字化硬件保護電路，閥值電壓設置單元靈活設置閥 值電壓。所述閥值電壓設置單元可以設置數字閥值電壓，避免了用分壓電阻設 置閥值電壓帶來的不便。閥值電壓設置單元將設置的岡值電壓發送至電壓比較 器的反向輸入端。電壓比較器比較正向輸入端的輸入電壓與閥值電壓，當所述 輸入電壓大于所述閥值電壓時，所述電壓比較器輸出邏輯高電平，執行單元動 作，切斷電路，起到保護作用，防止重大事故的發生。本實用新型可以通過所 述數字信號處理單元任意設置所述閥值電壓，方便簡潔且具有通用性。
圖l是現有技術中數字化硬件保護電路的原理圖； 圖2是現有技術中電阻分壓的數字化硬件保護電路的原理圖； 圖3是基于本實用新型數字化硬件保護電路第一實施例結構圖； 圖4是基于本實用新型數字化硬件保護電路第二實施例結構圖； 圖5是基于本實用新型數字化硬件保護電路第三實施例結構圖； 圖6是基于本實用新型數字化硬件保護電路第四實施例結構圖； 圖7是基于本實用新型數字化硬件保護電路第五實施例結構圖； 圖8是基于本實用新型數字化硬件保護電路第六實施例結構圖。
具體實施方式
為使本實用新型的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附 圖對本實用新型的具體實施方式
做詳細的說明。
參見圖3,該圖為基于本實用新型數字化硬件保護電路第一實施例結構圖。 本實用新型數字化硬件保護電路第一實施例包括閥值電壓設置單元 301,電壓比較器302和執行單元303。所述閥值電壓設置單元301，用于生成閥值電壓，發送所述閥值電壓至所 述電壓比較器302的反向輸入端。
所述閥值電壓設置單元301可以任意設置所述閥值電壓。所述岡值電壓通 過軟件編程設定，即直接通過改變數字修改閥值電壓，修改方便；不必改變硬 件電路。
所述電壓比較器302,用于比較正向輸入端(+)的輸入電壓t^和所述閥值 電壓t/,《，當所述輸入電壓大于所述閥值電壓時，所述電壓比較器302輸出邏 輯高電平至所述執行單元303。這時，說明數字化硬件保護電路的輸入電壓t/," 大于預先設定的閥值電壓C4,,電路出現故障。
所述執行單元303,用于接到所述邏輯高電平后動作，起到保護作用。 需要說明的是，所述執行單元304可以為繼電器或接觸器等開關器件。當 輸入電壓f4大于所述閥值電壓f/w時，所述繼電器或接觸器斷開電路，從而起 保護作用。
本實用新型提供一種數字化硬件保護電路，數字信號處理單元靈活設置閥 值電壓。數模轉換器將所述閥值電壓轉換為模擬信號發送至電壓比較器的反向 輸入端。電壓比較器比較正向輸入端的輸入電壓與閥值電壓，當所述輸入電壓 大于所述閥值電壓時，所述電壓比較器輸出邏輯高電平，執行單元動作，切斷 電路，起到保護作用，防止重大事故的發生。本實用新型可以通過所述數字信 號處理單元任意設置所述閥值電壓，方便簡潔且具有通用性。
參見圖4，該圖為基于本實用新型數字化硬件保護電路第二實施例結構圖。 本實用新型數字化硬件保護電路第二實施例中的閥值電壓設置單元包括 數字閥值電壓設置單元401和數模轉換單元402 (DAC, Digital to Analog Converter )。
數字閥值電壓設置單元401,用于設置數字閥值電壓。
數字閥值電壓設置單元401可以任意設置數字閥值電壓，只需要修改軟件 程序中的數值即可，不需要修改硬件，簡單方便。
DAC402，用于將數字閥值電壓轉換為模擬閥值電壓，發送至所述電壓比 較器303的反向輸入端(-)。因為電壓比較器的輸入信號必須為模擬信號。
需要說明的是，所述數字閥值電壓設置單元401與DAC402可以集成在一起，也可以獨立設置。
參見圖5，該圖為基于本實用新型數字化硬件保護電路第三實施例結構圖。
本實用新型數字化硬件保護電路第三實施例與第而實施例的區別是增加 了模數轉換單元501。
所述模數轉換單元(ADC, Analog to Digital Converter) 501的輸入端連接 所述電壓比較器302的反向輸入端(-)，用于將所述閥值電壓轉換成數字信號， 輸出至所述數字閥值電壓設置單元401。
所述數字閥值電壓設置單元401進一步用于監測所述數字信號與發送到 DAC402的閥值電壓是否一致，如果否，則發出故障報警信息。
所述數字閥值電壓設置單元401監測閥值電壓與最初設定的閥值電壓是 否一致。當不一致時，及時通過軟件進行調整。
本實用新型為了保證所述DAC402輸出的間值電壓[/^的正確性，通過 ADC501反饋閥值電壓，有效解決了現有技術中因分壓電阻出現參數漂移或損 壞，數字化硬件保護電路無法檢測的缺陷。
參見圖6,該圖為基于本實用新型數字化硬件保護電路第四實施例結構圖。
本實用新型數字化硬件保護電路第四實施例與第三實施例的區別是增加 了鎖存器601。
所述鎖存器601連接于所述數字閥值電壓設置單元401和所述DAC402 之間，用于將所述數字閥值電壓C/^鎖存預定時間間隔后發送至所述DAC402。
所述鎖存器601用于鎖存數據。在鎖存器信號到達之前，所述鎖存器601 輸出端的數據隨輸入端數據的變化而變化。當所述鎖存器信號到達時，所述鎖 存器601將輸出端的狀態鎖存，使輸出端的電平不再隨輸入端的變化而變化。 由于所述DAC402轉換數據需要一定的時間，因此需要所述鎖存器601將數據 鎖存，保證數據在所述DAC402轉換的時間間隔內保持不變。
本實用新型實施例所述數字化硬件保護電路增加所述鎖存器601使所述 閥值電壓C/w經所述DAC402轉換后更準確，從而提高數字化硬件保護電路的 可靠性。
需要說明的是，所述鎖存器601可以與所述數字閥值電壓設置單元401集成在一起，簡化數字化硬件保護電路的原理。
參見圖7,該圖為基于本實用新型數字化硬件保護電路第五實施例結構圖。
本實用新型數字化硬件保護電路第五實施例與第四實施例的區別是增加
了支撐電容701。
由于電子電路工作時會對外產生電磁干擾信號，對其它工作電路或設備產 生電磁波或尖峰脈沖等干擾信號。為了保證所述閥值電壓^,穩定性，防止干 擾信號使得所述閥值電壓C/re/變化？ 1起的保護電路誤動作，因此加入所述支撐 電容701以濾除高頻及脈沖干擾。
所述支撐電容701連接于所述電壓比較器302的反向輸入端(-)和地之間， 用于穩定所述閥值電壓C^,,使所述閥值電壓C^,具有一定的抗干擾作用。
參見圖8，該圖為基于本實用新型數字化硬件保護電路第六實施例結構圖。
本實用新型所述數字化石更件保護電路可以應用于電氣自動化領域，例如列 車系統中的牽引變流器、開關電源或變頻器等。電力系統中的供電設備的保護， 例如電動機、發電機或供電設備等。本實用新型所述對于使用可測量溫度、速 度、壓力、電壓或電流等信號的設備也同樣適用。
下面以列車系統的牽引變流器為保護對象為例來說明本實用新型所述數 字化硬件保護電路的應用。
需要說明的是，本實用新型所述實施例中的數字閥值電壓設置單元401采 用數字信號處理器(DSP, Digital Signal Processor)。當然，也可以采用其他 類型的微處理器，例如單片機等。
所述DSP401是專門用于數字信號處理和精密計算的微處理器，具有速度 快、精度高和可靠性高等特點。所述DSP401中存儲用戶自行編制的程序。通 過所述程序可以任意設置所述閥值電壓t/^ 。從而實現所述數字化硬件保護電 路的閥值電壓f/^的數字化設置，無需再用手動調整分壓電阻的方法設定所述 閥值電壓C/^。
所述DSP401將設置好的閥值電壓f/^發送至鎖存器601，所述鎖存器601 將所述閥值電壓C^,鎖存，當DAC402轉換完畢以后，再發送新的閥值電壓C^, 至所述DAC402。
所述DAC402將所述閥值電壓f/^轉換為模擬信號，發送至所述電壓比較器302的反向輸入端(-)。
采集單元801,用于采集所述牽引變流器的工作信號，例如電壓信號或電
流信號，將其轉換為所述電壓比較器302可以接受的電壓信號，發送至所述電
壓比較器302的同向輸入端(+)，作為輸入電壓[/, 。
所述電壓比較器302比較所述輸入電壓f4和閥值電壓f^,的大小。 當所述C/," <時，所述電壓比較器302的輸出端輸出邏輯低電平。 當所述^>[/ ,時，所述電壓比較器302的輸出端輸出邏輯高電平。 當所述電壓比較器302的輸出端輸出邏輯低電平時，表明所述牽引變流器
工作狀態良好。
當所述電壓比較器302的輸出端輸出邏輯高電平時，表明所述牽引變流器 出現故障，DSP401發出故障報警信號。此時，與所述電壓比較器302的輸出 端連接的驅動單元802將輸出信號放大，驅動執行單元304動作，切斷所述牽 引變流器的工作電路，從而實現保護。
另外，本實用新型所述數字化硬件保護電路實施例還設置了 ADC501,用 于將所述電壓比較器302反向輸入端(-)的閥值電壓t^轉換為數字信號，反饋 至DSP401, DSP401監測反饋回來的閥值電壓f/re/與發送出去的閥值電壓是 否相同，如果不同說明數字化硬件保護電路存在故障。因此，本實用新型采用 反饋檢測方法完全規避了現有技術中數字化硬件保護電路無法檢測閥值電壓 t/^的缺陷。
本實用新型數字化硬件保護電路采用數字電路與模擬電路相結合的電路 結構，使保護電路既具有模擬電路的極快響應速度，又保證了數字電路的調試 修改方便的特性，并且實用新型所述數字化硬件保護電路具有良好的通用性。
以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何 形式上的限制。雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定 本實用新型。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍 情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本實用新型技術方案作出許多 可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本實 用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所做的任何 簡單修改、等同變化及4務飾，均仍屬于本實用新型技術方案保護的范圍內。
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權利要求1、一種數字化硬件保護電路，其特征在于，包括閥值電壓設置單元、電壓比較器和執行單元；所述閥值電壓設置單元，用于生成閥值電壓，發送所述閥值電壓至所述電壓比較器的反向輸入端；所述電壓比較器，用于比較正向輸入端的輸入電壓和所述閥值電壓，當所述輸入電壓大于所述閥值電壓時，所述電壓比較器輸出邏輯高電平至執行單元；所述執行單元，用于接到所述邏輯高電平后動作。
2、 根據權利要求1所述的數字化硬件保護電路，其特征在于，所述數字化硬件保護電路還包括模數轉換單元，所述模數轉換單元的輸入端連接所述電 壓比較器的反向輸入端，用于將所述閥值電壓轉換成數字電壓，輸出至所述閥值電壓設置單元；所述閥值電壓設置單元還用于檢測所述數字電壓與發送到電 壓比較器的閥值電壓是否一致，如果否，則發出故障報警信息。
3、 根據權利要求1所述的數字化硬件保護電路，其特征在于，所述閥值 電壓設置單元包括數字閥值電壓設置單元和數模轉換單元；所述數字閥值電壓設置單元，用于設置數字閥值電壓； 所述數模轉換單元，用于將所述數字閥值電壓轉換為模擬閥值電壓。
4、 根據權利要求3所述的數字化硬件保護電路，其特征在于，還包括鎖 存器，所述鎖存器連接于所述數字閥值電壓設置單元和所述數模轉換器之間， 用于將所述數字閥值電壓鎖存預定時間間隔，當所述數才莫轉換器完成轉換后結 束鎖存狀態。
5、 根據權利要求1所述的數字化硬件保護電路，其特征在于，還包括支 撐電容，所述支撐電容連接于所述電壓比較器的反向輸入端和地之間。
6、 根據權利要求1所述的數字化硬件保護電路，其特征在于，所述正向 輸入端的輸入電壓是由傳感器采集的牽引變流器的電壓信號或電流信號。
7、 根據權利要求1至6任一項所述的數字化硬件保護電路，其特征在于， 所述閥值電壓設置單元為數字信號處理器或單片機。
8、 根據權利要求1所述的數字化硬件保護電路，其特征在于，所述執行 單元為繼電器或接觸器。
專利摘要本實用新型提供一種數字化硬件保護電路包括閥值電壓設置單元、電壓比較器和執行單元；所述閥值電壓設置單元，用于生成閥值電壓，發送所述閥值電壓至所述電壓比較器的反向輸入端；所述電壓比較器，用于比較正向輸入端的輸入電壓和所述閥值電壓，當所述輸入電壓大于所述閥值電壓時，所述電壓比較器輸出邏輯高電平至執行單元，執行單元動作，切斷電路，起到保護作用，防止重大事故的發生。本實用新型可以通過所述數字信號處理單元任意設置所述閥值電壓，方便簡潔且具有通用性。
文檔編號H02H3/20GK201352704SQ200920105038
公開日2009年11月25日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者丁榮軍, 馮江華, 劉可安, 張曙光, 徐立恩, 李江紅 申請人:鐵道部運輸局;株洲南車時代電氣股份有限公司