CN101764523A - 一种直流正负双极信号隔离转换方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流正负双极信号隔离转换方法及其电路，在连接信号变压器初级的直流正负双极信号输入回路中设置一个MOSFET调制电路，在连接信号变压器次级的直流正负双极信号输出回路中设置一个MOSFET解调电路；通过驱动变压器的初级绕组和次级绕组输出的同步驱动信号，分别控制MOSFET调制电路和MOSFET解调电路中开关管的同步切换，以此实现直流正负双极输入信号的斩波逆变，斩波逆变后的信号经过信号变压器隔离耦合输出，完成直流正负双极信号的隔离转换。该方法大大提高了信号转换的精度和减小温度漂移系数，解决了信号漂移的问题，同时降低产品成本、减小产品体积。

Description

一种直流正负双极信号隔离转换方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法及其电路，尤其涉及一种直流正负双极信号隔离转换的方法及其电路。

背景技术

在工业控制领域，利用直流正负双极信号作为电压驱动信号很普遍，例如PLC、发送器、电机控制等。在实际应用中，为了有效的抑制控制设备与执行设备之间共模噪声、公共地干扰以及实现控制设备接口与执行设备接口的信号匹配及阻抗匹配，通常将直流正负双极信号进行有效的隔离并转换，以实现以上目的。

现有技术中直流正负双极信号的隔离转换实现方法通常是：如图1所示，先通过加法电路将双极信号变为单极信号，再通线性光耦进行线性隔离后，整流输出为单极信号，再通过加法电路将单极信号还原为双极信号。此方法双极信号必须先转换为单极信号后才能通过线性光耦进行线性隔离转换，隔离后还必须将单极信号还原为双极信号，实现方法不仅电路结构复杂，且加法电路中引入的参考电压基准的精度及温度漂移系数会直接影响信号转换的精度及温度漂移系数；另外，线性光耦还容易受环境温度的影响，也会导致输出信号产生漂移，影响信号的转换精度。

也有采用输入和输出电路均采用双向模拟开关的方法来实现直流正负双极信号隔离转换，如图2所示，在连接隔离藕合变压器初级的直流正负双极信号输入回路中设置一个双向开关器件，在连接隔离藕合变压器次级的直流正负双极信号输出回路中也同样设置一个双向开关器件；通过两组驱动电路，分别控制两个双向开关器件常闭或常开之间的同步切换，以此实现直流正负双极输入信号的斩波逆变，斩波逆变后的信号经过变压器隔离耦合输出，完成直流正负双极信号的隔离转换。此种方案由于省去了加法电路，直接采用两个双向模拟开关电路直接实现信号的隔离转换，提高了信号转换的转换精度，减小了温度漂移系数。但因前后级器件参数很难匹配，导致调试困难，且结果老化试验及高低温等可靠性试验后，因元器件参数的漂移还会导致输出信号相对输入信号产生整体漂移，如输入为-5V～+5V，而输出为-4.7V～+5.3V；同时因双向开关成本较高，产品的整体成本相对较高。

发明内容

本发明目的在于提供一种直流正负双极信号隔离转换的方法，该方法大大提高了信号转换的精度和减小温度漂移系数，解决了信号漂移的问题，同时降低产品成本、减小产品体积。

本发明的另一个目的在于提供实现上述方法的直流正负双极信号隔离转换电路。

本发明的目的可以通过以下方案实现：一种实现直流正负双极信号隔离转换的方法，在连接信号变压器初级的直流正负双极信号输入回路中设置一个MOSFET调制电路，在连接信号变压器次级的直流正负双极信号输出回路中设置一个MOSFET解调电路；通过驱动变压器的初级绕组和次级绕组输出的同步驱动信号，分别控制MOSFET调制电路和MOSFET解调电路中开关管的同步切换，以此实现直流正负双极输入信号的斩波逆变，斩波逆变后的信号经过信号变压器隔离耦合输出，完成直流正负双极信号的隔离转换。

所述驱动变压器输出的驱动信号采用自激控制的方式进行控制，产生的两组驱动信号经过其初级绕组和次级绕组隔离后同步输出。

为了减少MOSFET调制、解调开关电路中MOS管导通电阻对直流正负双极信号的影响，在直流正负双极信号斩波逆变前，先进行电压-电流变换，将输入的直流正负双极电压信号变换为直流正负双极电流信号；同时在隔离耦合输出后，再将直流正负双极电流信号转化为直流正负双极电压信号输出。

本发明所述隔离藕合的信号变压器的初次级为等匝数绕制。

本发明的另一目的通过以下技术措施实现，一种实现上述方法的直流正负双极信号隔离转换电路，包括初次级等匝数的主信号变压器，用于隔离耦合直流正负双极信号；驱动变压器，用于输出隔离同步脉冲驱动控制信号；MOS FET调制电路；MOSFET解调电路；其中主信号变压器初次绕组与MOSFET调制电路连成输入回路，直流正负双极输入信号连接初次绕组的中间抽头；主信号变压器的次级绕组与MOSFET解调电路连成输出回路，次级绕组的中间抽头连接直流正负双极信号输出端；驱动变压器初级绕组和次级绕组各有两路驱动信号输出，分别连接MOSFET调制和解调电路的驱动控制端；

通过两组同步脉冲驱动信号，分别控制MOSFET调制和解调电路中开关器件的常闭或常开之间的同步切换，以此实现直流正负双极输入信号的斩波逆变，斩波逆变后的信号经过主信号变压器隔离耦合输出，完成直流正负双极信号的隔离转换。

上述输入回路中还设置输入信号处理单元，用于将直流正负双极电压输入信号转换成直流正负双极电流信号；所述输出回路中还设置输出信号处理单元，用于将直流正负双极电流信号还原为直流正负双极电压信号输出；所述的直流正负双极信号连接输入信号处理单元的输入端，输入信号处理单元的输出端连接主信号变压器初级绕组的中间抽头，输入信号处理单元的参考端连接MOSFET调制电路的公共端；所述主信号变压器次级绕组的中间抽头连接输出信号处理单元的输入端，输出信号处理单元的输出端连接直流正负双极信号输出端，输出信号处理单元的参考端连接MOSFET解调电路的公共端。

本发明优点在于：由于省去了导致精度降低的加法电路或引起输出漂移的双向模拟开关转换电路，直接采用两组MOS管电路实现信号的隔离转换，提高了信号转换的转换精度和线性度、减小了温度漂移系数、解决了信号漂移的问题。另外电路结构简单，元器件价格更低廉，由此降低了产品成本，减小了产品体积，相应地，产品的生产工艺也简化了，生产难度降低。

附图说明

图1是现有技术用加法器实现正负双极信号隔离转换的电路原理框图；

图2是现有技术用模拟开关实现正负双极信号隔离转换的电路原理框图；

图3是本发明的隔离转换电路原理框图；

图4是本发明实施例的具体电路图；

图5是驱动变压器绕线N21、N23两端的电压波形图；

图6是驱动变压器绕线N22、N24两端的电压波形图；

具体实施方式

本发明可以通过以下优选的具体实施电路实现：如图4所示，包括一个输入信号处理单元，一个包含MOS管Q1和Q2的MOSFET调制单元，一个包含MOS管Q3和Q4的MOSFET解调单元，一个输出信号处理单元，一个隔离驱动单元，以及隔离耦合的主信号变压器T1，信号变压器T1为原副边匝数相等的主信号隔离耦合变压器，实现斩波逆变后的直流正负双极电流信号隔离传送。

上述输入信号处理单元主要由运算放大器U1A和电阻R1组成，实现输入直流正负双极信号的电压-电流变换。直流正负双极电压信号Vin输入运算放大器U1A的同相输入端；运算放大器U1A的反相输入端一路通过电阻R1连接至地GND1，另一路连接至MOSFET调制单元中的MOS管Q1、Q2漏极的公共端；运算放大器U1A输出端输出的直流正负双极电流信号连接至变压器T1初级绕组的中间抽头。运算放大器的输入端电压为Vin，根据运算放大器“虚短”的特性，运算放大器反向输入端的电压等于同向输入端的电压Vin，则流过电阻R1的电流为Vin/R1，根据运算放大器“虚断”的特性，即运算放大器输入端呈高阻特性，流经R1的电流都来自运算放大器U1A的输出端经变压器T1的初级绕组及MOS管Q1、Q2漏极的公共端点，即流经变压器初级绕组T1及MOS管Q1、Q2的电流I1为Vin/R1，从而实现了直流正负双极信号的电压-电流变换。

上述输出信号处理单元主要由运算放大器U2A和电阻R2组成，实现信号的电流-电压还原变换。直流正负双极电流信号经过变压器T1隔离后，通过变压器T1次级绕组的中间抽头连接至运算放大器U2A的反相输入端；运算放大器U2A的同相输入端与MOSFET解调单元中的MOS管Q3、Q4漏极的公共端连接并接地；运算放大器U2A的反相输入端通过反馈电阻R2连接运算放大器U2A的输出端，运算放大器U2A输出直流正负双极电压信号。变压器T1次级绕组感应出电流大小为I2，通过解调单元中的MOS管Q3、Q4漏极的公共端到运算放大器的同向输入端到地GND2，则流过变压器T1次级绕组中间抽头的电流为I2，因变压器T1次级绕组仅与运算放大器U2方向输入端和电阻R2一端相连，根据运算放大器“虚断”即运算放大器输入端呈高阻的特性，所以，流过电阻R2的电流为I2，即电阻R2两端的电压降为I2×R2，根据运算放大器“虚短”的特性，运算放大器反向输入端的电压等于同向输入端的电压为0，，即电阻R2一端的电压为0，另一端的电压为I2×R2，即运算放大器输出端的电压为I2×R2。

上述隔离驱动单元主要由驱动变压器T2组成，采用自激式即Royer电路进行控制，其工作原理为利用磁芯饱和特性产生振荡，通过自激的方式使驱动变压器初级线圈N21、N22和次级线圈N23、N24中的电压同步形成交替的脉冲方波电压信号，如图5所示为线圈N21、N23两端的电压波形；图6为线圈N23、N24两端的电压波形。变压器T2初级线圈N21、N22的两端分别接MOSFET调制单元中的MOS管Q1、Q2的栅极，中间抽头连接至调制单元中MOS管Q1、Q2源极的公共端；变压器T2次级绕组N23、N24的两端分别接MOSFET解调单元中的MOS管Q3、Q4的栅极，中间抽头连接至调制单元中MOS管Q3、Q4源极的公共端，从而通过驱动变压器初级线圈N21、N22和次级线圈N23、N24自激产生的同步交替脉冲方波电压信号对调制电路中的MOS管Q1、Q2和解调电路中的MOS管Q3、Q4同步地进行交替开关控制。

加入调制电路和解调电路的目的在于实现信号变压器对输入端的直流信号进行隔离传递，根据变压器通交隔直的特性，因此，需要将输入端的直流信号先转换为脉冲交流信号，及进行调制；通过变压器隔离转换后，再还原为原来的直流信号，即进行解调。

电路工作原理：输入直流正负双极信号Vin的范围为：-Vi～+Vi，根据运算放大器的特性，运算放大器U1A的6脚会输出一个随Vin变化而变化的电流，I1＝Vin/R1；则I1的变化范围为-Vi/R1～+Vi/R1。

当输入信号为正极信号，即Vin在0～+Vi范围变化，根据运算放大器“虚短”的特性，运算放大器反向输入端的电压即R1两端的电压V2等于同向输入端的电压Vin，流经R1的电流为Vin/R1，根据运算放大器“虚短”的特性，运算放大器U1A的6脚输出正极电流信号I1＝Vin/R1。假设Q1、Q3先同时开通，I1经信号变压器T1初级绕组的中间抽头，经信号变压器T1初级绕组线圈N11，经MOS管Q1，经驱动变压器T2初级线圈初级绕组的中间抽头，经驱动变压器T2初级绕组的线圈N22，经电阻R1到输入地GND1结束；因为变压器T1的初、次级绕组匝数相等，根据变压器特性，变压器T1次级绕组会感应一个与I1大小相同，方向相反的电流I2，所以输出级的电流流向是从运算放大器U2A的6脚，经电阻R2，经变压器T1次级绕组的中间抽头，经变压器T1的次级绕组线圈N13，经MOS管Q3，经驱动变压器T2次级线圈的中间抽头，经驱动变压器T2次级线圈N24到输出地GND2结束。当Q1、Q3同时关断后，Q3、Q4将同时导通，运算放大器U1A的6脚输出的正极电流信号I1＝Vin/R1，经信号变压器T1初级绕组的中间抽头，经信号变压器T1初级绕组线圈N12，经MOS管Q2，经驱动变压器T2初级线圈初级绕组的中间抽头，经驱动变压器T2初级绕组的线圈N21，经电阻R1到输入地GND1结束；因为变压器T1的初、次级绕组匝数相等，根据变压器特性，变压器T1次级绕组会感应一个与I1大小相同，方向相反的电流I2，所以输出级的电流流向是从运算放大器U2A的6脚，经电阻R2，经变压器T1次级绕组的中间抽头，经变压器T1的次级绕组线圈N14，经MOS管Q4，经驱动变压器T2次级线圈的中间抽头，经驱动变压器T2次级线圈N23到输出地GND2结束。完成正极信号的转换。

当输入信号为负极信号，即Vin在-Vi～0范围变化，根据运算放大器“虚短”的特性，运算放大器反向输入端的电压即R1两端的电压V2等于同向输入端的电压Vin，流经R1的电流为Vin/R1，根据运算放大器“虚短”的特性，运算放大器U1A的6脚输出负极电流信号I1＝Vin/R1。假设Q1、Q3先同时开通，I1从输入地GND1输出，经电阻R1，经驱动变压器T2初级线圈初级绕组的中间抽头，经驱动变压器T2初级绕组的线圈N22，经MOS管Q1，经信号变压器T1初级绕组线圈N11，经信号变压器T1初级绕组的中间抽头结束；因为变压器T1的初、次级绕组匝数相等，根据变压器特性，变压器T1次级绕组会感应一个与I1大小相同，方向相反的电流I2，所以输出级的电流流向是从输入地GND2输出，经驱动变压器T2次级线圈初级绕组的中间抽头，经驱动变压器T2次级绕组的线圈N24，经MOS管Q3，经信号变压器T1次级绕组线圈N13，经信号变压器T1初级绕组的中间抽头，经电阻R2至运算放大器U2A的6脚结束。当Q1、Q3同时关断后，Q3、Q4将同时导通，运算放大器U1A的6脚输出的负极电流信号I1＝Vin/R1，I1从输入地GND1输出，经电阻R1，经驱动变压器T2初级线圈初级绕组的中间抽头，经驱动变压器T2初级绕组的线圈N21，经MOS管Q2，经信号变压器T1初级绕组线圈N12，经信号变压器T1初级绕组的中间抽头结束；因为变压器T1的初、次级绕组匝数相等，根据变压器特性，变压器T1次级绕组会感应一个与I1大小相同，方向相反的电流I2，所以输出级的电流流向是从输入地GND2输出，经驱动变压器T2次级线圈初级绕组的中间抽头，经驱动变压器T2次级绕组的线圈N23，经MOS管Q4，经信号变压器T1次级绕组线圈N14，经信号变压器T1初级绕组的中间抽头，经电阻R2至运算放大器U2A的6脚结束。完成负极信号的转换。

Vin与Vout的比例关系是：

流过R1的电流I1＝Vin/R1，

流过R2的电流I2＝Vout/R2，

因为T1的原副边匝数相等，I1＝I2，

所以，Vout＝Vin*R2/R1。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均可实现本发明目的。

Claims (7)

1.一种直流正负双极信号隔离转换方法，其特征在于：在连接信号变压器初级的直流正负双极信号输入回路中设置一个MOSFET调制电路，在连接信号变压器次级的直流正负双极信号输出回路中设置一个MOSFET解调电路；通过驱动变压器的初级绕组和次级绕组输出的同步驱动信号，分别控制MOSFET调制电路和MOSFET解调电路中开关管的同步切换，以此实现直流正负双极输入信号的斩波逆变，斩波逆变后的信号经过信号变压器隔离耦合输出，完成直流正负双极信号的隔离转换。

2.根据权利要求1所述的一种直流正负双极信号隔离转换方法，其特征在于，所述驱动变压器输出的驱动信号采用自激控制的方式进行控制，产生的两组驱动信号经过其初级绕组和次级绕组隔离后同步输出。

3.根据权利要求1所述的一种直流正负双极信号隔离转换方法，其特征在于，在直流正负双极信号斩波逆变前，先进行电压-电流变换，将输入的直流正负双极电压信号变换为直流正负双极电流信号；同时在隔离耦合输出后，再将直流正负双极电流信号转化为直流正负双极电压信号输出。

4.根据权利要求1所述的一种直流正负双极信号隔离转换方法，其特征在于，所述隔离藕合变压器的初次级为等匝数绕制。

5.根据权利要求1所述的一种直流正负双极信号隔离转换方法，其特征在于，所述的调制电路和解调电路均采用两个MOS开关管连接而成。

6.一种实现上述方法的直流正负双极信号隔离转换电路，其特征在于，包括初次级等匝数的主信号变压器，用于隔离耦合直流正负双极信号；驱动变压器，用于输出隔离同步脉冲驱动控制信号；MOS FET调制电路；MOSFET解调电路；

其中主信号变压器初次绕组与MOSFET调制电路连成输入回路，直流正负双极输入信号连接初次绕组的中间抽头；

主信号变压器的次级绕组与MOSFET解调电路连成输出回路，次级绕组的中间抽头连接直流正负双极信号输出端；

驱动变压器初级绕组和次级绕组各有两路驱动信号输出，分别连接MOSFET调制和解调电路的驱动控制端；

通过两组同步脉冲驱动信号，分别控制MOSFET调制和解调电路中开关器件的常闭或常开之间的同步切换，以此实现直流正负双极输入信号的斩波逆变，斩波逆变后的信号经过主信号变压器隔离耦合输出，完成直流正负双极信号的隔离转换。

7.根据权利要求6所述的直流正负双极信号隔离转换电路，其特征在于，输入回路中还设置输入信号处理单元，用于将直流正负双极电压输入信号转换成直流正负双极电流信号；所述输出回路中还设置输出信号处理单元，用于将直流正负双极电流信号还原为直流正负双极电压信号输出；

所述的直流正负双极信号连接输入信号处理单元的输入端，输入信号处理单元的输出端连接主信号变压器初级绕组的中间抽头，输入信号处理单元的参考端连接MOSFET调制电路的公共端；

所述主信号变压器次级绕组的中间抽头连接输出信号处理单元的输入端，输出信号处理单元的输出端连接直流正负双极信号输出端，输出信号处理单元的参考端连接MOSFET解调电路的公共端。

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