CN101231318B

CN101231318B - 抗共模分流器电压采样电路

Info

Publication number: CN101231318B
Application number: CN2007100753720A
Authority: CN
Inventors: 尤志毅; 杨靖
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: CN101231318A

Abstract

本发明涉及一种抗共模分流器电压采样电路，包括差分放大电路和信号衰减网络，还包括开关网络；所述开关网络从所述信号衰减网络输出的至少一对信号中选择一对信号输出给所述差分放大电路。实施本发明的抗共模分流器电压采样电路，具有以下有益效果：由于采用了衰减网络和开关网络，在测量多个分流器输出的时候不需要使用多个精密的差分放大电路，从而其成本较低。

Description

抗共模分流器电压采样电路

技术领域

本发明涉及电压采样电路，更具体地说，涉及一种抗共模分流器电压采样电路。

背景技术

抗共模分流器电压采样电路的基本功能是实现从共模信号中提取差模信号，通常，共模信号范围为-60V-60V，而需要提取的差模信号范围为-75mV-75mV，属于小信号测量电路。目前大量使用的技术是使用电阻网络衰减输入信号，然后使用差分放大电路提取并放大差分信号的方法，主要有如下方法：集成抗共模差分放大电路，如美国模拟器件公司的AD629系列差分放大电路；使用分立元件与仪表放大器相结合的方式实现上述功能，如使用电阻衰减网络和AD620系列仪表放大器；使用分立元件实现，如使用电阻和普通运算放大器。上述几种方法只能实现单路测量，即实现一个分流器输出信号的测量，若要实现多个分流器输出信号的测量，需要使用多套上述电路，这样在上述抗共模分流器电压采样电路测量多个分流器输出信号时，其成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述在测量多个分流器输出信号时抗共模分流器电压采样电路的成本较高的缺陷，提供一种在测量多个分流器输出信号时成本较低的抗共模分流器电压采样电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种抗共模分流器电压采样电路，包括差分放大电路和信号衰减网络，还包括开关网络；所述开关网络从所述信号衰减网络输出的至少一对信号中选择一对信号输出给所述差分放大电路。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述信号衰减网络包括多个成对的输入端和与其输入端一一对应的多个成对的输出端；所述开关网络包括多个成对输入端和一对输出端；所述开关网络的多个成对输入端分别与所述信号衰减网络的多个成对输出端对应连接，所述开关网络的输出端分别连接在所述差分放大电路的正负输入端。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述开关网络包括具有多个输入及一对输出的模拟开关电路以及控制所述模拟开关电路选通的控制逻辑电路，所述控制逻辑电路输出连接在所述模拟开关电路的选通控制端。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述模拟开关电路包括美国模拟器件公司的型号为CD4052的集成电路。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述开关网络包括两个具有多个输入及一个输出的模拟开关电路以及控制所述模拟开关电路选通的控制逻辑电路，两个模拟开关电路的选通控制端并联后连接到所述控制逻辑电路的输出端。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述模拟开关电路包括美国模拟器件公司的型号为CD4051的集成电路。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述信号衰减网络包括一对相互独立的、分别具有多个衰减通道的衰减电路；所述一个衰减电路中的每个衰减通道至少与另一个衰减电路中的一个衰减通道相同，并形成一对衰减通道。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述差分放大电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、差分运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第三反馈电阻、基准电阻、第一分压电阻、第二分压电阻及第三分压电阻；所述第一、第二运算放大器的输入正极分别连接在所述开关网络的两个输出端，所述第一、第二运算放大器的输入负极通过基准电阻相互连接，所述第一运算放大器的输出端在通过第一反馈电阻连接在其输入负极的同时还通过第一分压电阻连接所述差分运算放大器的输入正极；所述第二运算放大器的输出端在通过第二反馈电阻连接在其输入负极的同时还通过第二分压电阻连接所述差分运算放大器的输入负极；所述差分运算放大器的输入正极还通过第三分压电阻连接到地，所述差分运算放大器的输出端在通过第三反馈电阻连接到其输入负极的同时输出差模信号。

在本发明所述的抗共模分流器电压采样电路中，所述差分放大电路包括美国模拟器件公司的型号为AD620的集成电路。

实施本发明的抗共模分流器电压采样电路，具有以下有益效果：由于采用了衰减网络和开关网络，在测量多个分流器输出的时候不需要使用多个精密的差分放大电路，从而其成本较低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明抗共模分流器电压采样电路实施例的结构示意图；

图2是本发明抗共模分流器电压采样电路实施例中开关网络的结构示意图；

图3是本发明抗共模分流器电压采样电路实施例中一对衰减通道的电原理图；

图4是本发明抗共模分流器电压采样电路实施例中差分放大电路电原理图；

图5是本发明抗共模分流器电压采样电路实施例电原理图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的抗共模分流器电压采样电路实施例中，该抗共模分流器电压采样电路包括衰减网络1、开关网络2以及差分放大电路3，其中信号衰减网络1包括多个成对的输入端和与其输入端一一对应的多个成对的输出端；多路差分信号的正输入信号和负输入信号分别连接在衰减网络1的成对输入端中的一端上，上述的差分信号输入到衰减网络1后，通过衰减网络1的衰减，由衰减网络1的输出端输出；上述衰减网络1输出端与其输入端一一对应，即上述的每个信号由衰减网络1的输入端输入后，独立地通过衰减网络1，并输出到其对应的输出端，并不与其他信号发生关系。由于衰减网络1输入的是差分信号，而差分信号是成对的，在上述的过程中，一对差分信号所通过的衰减网络1后的衰减是完全相同的，即一对差分信号所通过的衰减网络1中的电路是相同的。由上述叙述可知，衰减网络1的输入是成对的差分信号，输出也是成对差分信号，其输出成对分别连接在开关网络2的输入端，该开关网络2的输入端同样也是成对的；上述开关网络2的功能是由连接到其输入端的多个成对信号中选出一对信号送达其输出端输出；在开关网络2中，其输出端分别连接在差分放大电路3的两个信号输入端，该差分放大电路3取出其输入的一对信号的差模信号，并输出。

在图1中，设第i路差分正负信号的衰减比都为k_ai，差分放大电路3的放大系数为k_d，差分输入信号为U_i，第i路差分正输入信号为U_i+，第i路差分负输入信号为U_i-，第i路输出信号为U_oi，则可得第i路抗共模分流器电压采样电路的基本计算公式，如式(1)所示：

U_oi＝k_dk_ai(U_i+-U_i-) (1)

由式(1)可得理想状态下图1所示采样电路的输入信号计算公式，如式(2)所示：

U_{i} = U_{i +} - U_{i -} = \frac{U_{oi}^{.}}{k_{d} k_{ai}} - - - (2)

根据式(2)，输入共模信号U_i-得到有效抑制，而且差模信号U_i(分流器输出信号)被有效提取出来。

在上述过程中，不同的时间段上述开关网络2选通不同的成对的差分信号输出到差分放大电路3，从而实现在测量多路差分信号时，只使用一个差分放大电路3，从而节省了成本。

图2是本实施例中开关网络2的结构框图，在图2中，上述开关网络2由两个模拟开关电路21以及控制上述两个模拟开关电路21的控制逻辑电路22组成；其中，每个模拟开关电路21包括多个输入端、一个输出端以及一个控制端，一个模拟开关电路21的多个输入端连接在上述衰减网络1的成对输出端中的其中一路上(包括多个输出端)，即上述的差分信号中的正输入信号或负输入信号被衰减网络1衰减后的输出，两个模拟开关电路21的输入端分别连接上述被衰减后的差分信号的正输入信号或负输入信号，并从各自所连接的信号中同步选通一对信号输出，即一个模拟开关电路21从其连接的输入信号中选出一路作为其输出，而另一个模拟开关电路21从其连接的输入信号中选出与上述输出成对的信号作为其输出。在本实施例中，模拟开关电路为美国模拟器件公司的型号为CD4051的集成电路，该集成电路为由三位控制端控制的八选一模拟开关电路。上述两路模拟开关电路21的选通是由同一个控制逻辑电路22来实现的，在图2中可以看出，上述的控制逻辑电路22的输出与上述两个模拟开关电路21的选通控制端连通。当然在实际使用中，上述的控制逻辑电路22也可以是两个独立的，其中每个控制逻辑电路22控制一个模拟开关电路21即可，只要使两个控制逻辑电路22的输出一致并同步即可。

图3是上述衰减网络1部分电路图，其显示了一对差分信号在上述衰减网络1中所通过的电路，在图2中，第i对差分信号分别从图3中Ui+和Ui-端口输入，通过图3中所示的电阻网络衰减，由Ui+a和Ui-a端口输出，第i对差分正输入衰减系数为k_ai+＝R_i1+/R_i2+，第i路差分负输入衰减系数为k_ai-＝R_i1-/R_i2-。只有k_ai+和k_ai-之间的差值相对测量精度可以忽略不计时，才可以使用式(2)来实现分流器信号的提取，即U_i+a＝k_ai+U_i+，U_i-a＝k_ai-U_i-，其中k_ai+≈k_ai-≈k_ai。所以，在本实施例中，上述衰减网络1中的电阻的精度为千分之一，且每对差分信号的正输入信号和负输入信号所经过的衰减电路完全相同，以保证其衰减量相同，从而达到提取差分信号中的差模信号的目的。

图4是本实施例中差分放大电路3的电路图，在图4中，差分放大电路3包括第一运算放大器31、第二运算放大器32、差分运算放大器33、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R11、第三反馈电阻R13、基准电阻R4、第一分压电阻R2、第二分压R12电阻及第三分压电阻R3；所述第一、第二运算放大器的输入正极分别连接在所述开关网络2的两个输出端，所述第一、第二运算放大器的输入负极通过基准电阻R4相互连接，所述第一运算放大器31的输出端在通过第一反馈电阻R1连接在其输入负极的同时还通过第一分压电阻R2连接所述差分运算放大器33的输入正极；所述第二运算放大器32的输出端在通过第二反馈电阻R11连接在其输入负极的同时还通过第二分压电阻R12连接所述差分运算放大器33的输入负极；所述差分运算放大器33的输入正极还通过第三分压电阻R3连接到地，所述差分运算放大器33的输出端在通过第三反馈电阻R13连接到其输入负极的同时输出差模信号。差分放大电路33提取共模信号中的差模信号，即分流器的输出电压。如图5所示，放大系数

k_{d} = - \frac{R_{3}}{R_{2}} (1 + \frac{2 R_{1}}{R_{4}})

或

k_{d} = - \frac{R_{12}}{R_{12}} (1 + \frac{2 R_{11}}{R_{4}})

，由于在本实施例中，选择R1＝R11，R2＝R12，R3＝R13，则U_o＝k_d(U_m+-U_m-)＝k_dk_ai(U_i+-U_i-)。

在本实施例中，上述差分放大电路3是由多个普通的运算放大器及电阻网络构建而得，在实际应用中可以采用上述的方案，也可以直接利用集成抗共模差分放大器，如美国模拟器件公司的AD629系列差分放大器直接构成，还可以利用分立元件与仪表放大器相结合的方式实现上述功能，如使用电阻衰减网络和AD620系列仪表放大器。

图5是本实施例中整个抗共模分流器电压采样电路的电路原理图，由于本电路应用于电源系统里的分流器电压测量，通常分流器输出电压范围为-100mV~+100mV。电源系统的设计原理决定了分流器电压采样时，分流器上可能会出现共模信号，该共模信号的电压范围为-60V~+60V。根据图1所示的结构示意图，可知其分成三部分：输入端信号衰减网络1，开关网络2以及差分放大电路3。在本实施例中，输入的差分信号为三路，该抗共模分流器采样电路的详细电路图如图5所示。

如上所述，由于输入信号含有共模电压，故需要先对输入信号作衰减处理，使得其输到多路模拟开关(CD4051)的电压不会超过允许值(小于5V，大于-5V)。为了保证测量精度，我们采用高精度电阻(1‰)分压的方法来实现衰减输入信号的目的。差分正负输入信号的衰减采用相同的设计方法。由于在前面已描述过衰减网络1、开关网络2以及差分放大电路3的具体电路构成，所以在此处不再赘述。

在本实施例中，我们使用了两个CD4051作为模拟开关电路21，而使用同一个控制逻辑电路22去控制上述两个模拟开关电路21的选通，在实际应用中，也可以使用两个同步的控制逻辑电路22分别控制上述两个模拟开关电路21；当然开关网络2也可以只用一个模拟开关电路21，如使用CD4052，此时，上述控制逻辑电路22也就只有一个；另外如果需要测量的差分信号的路数大于开关网络2中模拟开关电路21的输入路数，可以采用更多路数的模拟开关电路或将多个模拟开关电路级联，从而得到更多路数得模拟开关，例如可以将图5中的开关网络2中的CD4051替换成CD4052，或者由多个CD4051或多个CD4052或多个CD4051和多个CD4052组成级联多路模拟开关，以实现更多路分流器电压(小信号)的测量。

Claims

1.一种抗共模分流器电压采样电路，包括差分放大电路和信号衰减网络，其特征在于：

还包括开关网络；所述开关网络从所述信号衰减网络输出的至少一对信号中选择一对信号输出给所述差分放大电路；

所述信号衰减网络包括一对相互独立的、分别具有多个衰减通道的衰减电路；所述一个衰减电路中的每个衰减通道至少与另一个衰减电路中的一个衰减通道相同，并形成一对衰减通道；每个衰减通道包括电阻分压电路，所述电阻分压电路的电阻值误差精度至少为千分之一；且每对差分信号的正输入信号和负输入信号所经过的衰减电路完全相同，以保证其衰减量相同。

2.根据权利要求1所述的抗共模分流器电压采样电路，其特征在于，所述信号衰减网络包括多个成对的输入端和与其输入端一一对应的多个成对的输出端；所述开关网络包括多个成对输入端和一对输出端；所述开关网络的多个成对输入端分别与所述信号衰减网络的多个成对输出端对应连接，所述开关网络的输出端分别连接在所述差分放大电路的正负输入端。

3.根据权利要求2所述的抗共模分流器电压采样电路，其特征在于，所述开关网络包括具有多个输入及一对输出的模拟开关电路以及控制所述模拟开关电路选通的控制逻辑电路，所述控制逻辑电路输出连接在所述模拟开关电路的选通控制端。

4.根据权利要求3所述的抗共模分流器电压采样电路，其特征在于，所述模拟开关电路包括美国模拟器件公司的型号为CD4052的集成电路。

5.根据权利要求2所述的抗共模分流器电压采样电路，其特征在于，所述开关网络包括两个具有多个输入及一个输出的模拟开关电路以及控制所述模拟开关电路选通的控制逻辑电路，两个模拟开关电路的选通控制端并联后连接到所述控制逻辑电路的输出端。

6.根据权利要求5所述的抗共模分流器电压采样电路，其特征在于，所述模拟开关电路包括美国模拟器件公司的型号为CD4051的集成电路。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的抗共模分流器电压采样电路，其特征在于，所述差分放大电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、差分运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第三反馈电阻、基准电阻、第一分压电阻、第二分压电阻及第三分压电阻；所述第一、第二运算放大器的输入正极分别连接在所述开关网络的两个输出端，所述第一、第二运算放大器的输入负极通过基准电阻相互连接，所述第一运算放大器的输出端在通过第一反馈电阻连接在其输入负极的同时还通过第一分压电阻连接所述差分运算放大器的输入正极；所述第二运算放大器的输出端在通过第二反馈电阻连接在其输入负极的同时还通过第二分压电阻连接所述差分运算放大器的输入负极；所述差分运算放大器的输入正极还通过第三分压电阻连接到地，所述差分运算放大器的输出端在通过第三反馈电阻连接到其输入负极的同时输出差模信号。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的抗共模分流器电压采样电路，其特征在于，所述差分放大电路包括美国模拟器件公司的型号为AD620的集成电路。