CN103344813B - 一种直流电压隔离采样电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流电压隔离采样电路，包括依次连接的预处理电路、压频振荡电路、磁隔离电路和整流电路，还包括压降补偿电路和滤波放大电路，整流电路的输出端与滤波放大电路的一个输入端连接，压降补偿电路的输出端与滤波放大电路的另一个输入端连接；预处理电路用于对输入信号进行缓冲和滤波后，输出至压频振荡电路，压频振荡电路调制出高频信号，经磁隔离电路传输至整流电路，整流电路将交流信号转换为直流信号，经压降补偿电路补偿之后，再通过滤波放大电路输出。本发明中提出的磁耦合隔离测量方式与已有各厂家的成品芯片相比，成本较低；同时由于采用分立元件电路进行磁隔离测量，高等级器件易获取，无老化，参数随时间漂移等问题。

Description

一种直流电压隔离采样电路
技术领域
本发明涉及直流电压隔离采样电路。
背景技术
电压、电流、温度、压力、应力及流量等测量是工业及过程控制应用中的重要组成部分。此类应用环境常会设计危险级电压、瞬态信号、共模电压及不稳定电位，可能会损坏测量系统，降低测量精度。为了克服以上缺陷，工业应用中的测量系统设计会加入电气隔离。
光电耦合器是通过光信号的传送实现耦合的，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用。但是由于光耦具有非线性电流传输、抗辐噪能力弱及易老化等缺点，无法应用于高等级、长寿命等场合。
电容耦合方法采用了频率调制技术，通过对输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号。目前，TI公司已有采用该隔离方式的集成芯片，但是售价较贵，同时无高等级芯片。
磁耦合隔离方式是最常用的隔离方式。目前，各厂家的电压互感器、隔离放大器都采用这种方式。与电容方式类似，采用此方式的隔离放大器及电压互感器同样存在成本较高、无高等级器件等问题。
发明内容
为了解决现有采样磁隔离的直流电压隔离采样电路存在成本高、无高级器件的技术问题，本发明一种直流电压隔离采样电路，包括依次连接的预处理电路、压频振荡电路、磁隔离电路和整流电路，还包括压降补偿电路和滤波放大电路，整流电路的输出端与滤波放大电路的一个输入端连接，压降补偿电路的输出端与滤波放大电路的另一个输入端连接；预处理电路用于对输入信号进行缓冲和滤波后，输出至压频振荡电路，压频振荡电路调制出高频信号，经磁隔离电路传输至整流电路，整流电路将交流信号转换为直流信号，经压降补偿电路补偿之后，再通过滤波放大电路输出。
进一步的，预处理电路包括依此连接的滤波电路、跟随电路和功率放大电路。
更进一步的，滤波电路包括运放器U11、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C11；跟随电路包括运放器U12；功率放大电路包括NPN型三极管Q11、电阻R14和电阻R15；预处理电路的输入端经过电阻R11与运放器U11的同相输入端连接，运放器U11的同相输入端又经过电容C11接地；运放器U11的反相输入端经过电阻R12接地，其又经过电阻R13与其输出端连接；运放器U11的输出端接运放器U12的同相输入端，运放器U12的输出端经过电阻R14与NPN型三极管Q11的基极连接，NPN型三极管Q11的集电极经过电阻R15接工作电源，其发射极分别与运放器U12的反相输入端和压频振荡电路的输入端连接。
进一步的，压频振荡电路选用压控振荡芯片CD4047。
进一步的，磁隔离电路包括为高频变压器T3。
进一步的，整流电路为桥式整流器。
更进一步的，压降补偿电路包括稳压器、电阻R51、运放器U51和电阻R52；稳压器的输出端与运放器U51的同相输入端连接，运放器U51的反相输入端与输出端之间接有电阻R52，运放器U51的输出端作为压降补偿电路的输出端。
再进一步的，桥式整流器主要由四个二极管D40组成，稳压器主要由与桥式整流器中的二极管型号相同的二极管D50组成。
进一步的，滤波放大电路包括电容C61、电阻R61、电阻R62、电容C62、电阻R63、电阻R64、电阻R65、运放器U61、电阻R66和电阻R67；整流电路的负极输出端接地，电容C61、电阻R61以及串接的电阻R62和电容C62分别并接于整流电路的正、负输出端之间，电阻R63的一端分别接电阻R62和电容C62，电阻R63的另一端与压降补偿电路的输出端汇合后再与运放器U61的同相输入端连接，运放器U61的反相输入端经过电阻R65接地，运放器U61的输出端经过电阻R67后作为滤波放大电路的输出端，运放器U61的反相输入端和滤波放大电路的输出端之间接有电阻R66。
本发明具的有益效果是：本发明中提出的磁耦合隔离测量方式与已有各厂家的成品芯片相比，成本较低，实现简单，可靠；同时由于采用分立元件电路进行磁隔离测量，高等级器件易获取，采用二极管压降补偿的方式能够有效的提高磁隔离采样的精度，无老化，参数随时间漂移等问题，适用于航空、航天等场合。
附图说明
图1为本发明实施例的直流电压隔离采样电路功能示意框图；
图2为本发明实施例的直流电压隔离采样电路的电路结构图；
图3为本发明实施例中滤波放大电路中的滤波放大求和电路的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明实施例的直流电压隔离采样电路，包括依次连接的预处理电路1、压频振荡电路2、磁隔离电路3和整流电路4，还包括压降补偿电路5和滤波放大电路6，整流电路4的输出端与滤波放大电路6的一个输入端连接，压降补偿电路5的输出端与滤波放大电路6的另一个输入端连接；预处理电路1用于对输入信号进行缓冲和滤波后，输出至压频振荡电路2，压频振荡电路2调制出高频信号，经磁隔离电路3传输至整流电路4，整流电路4将交流信号转换为直流信号，经压降补偿电路5补偿之后，再通过滤波放大电路6输出。
如图2所示，预处理电路1包括依此连接的滤波电路、跟随电路和功率放大电路。滤波电路包括运放器U11、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C11；跟随电路包括运放器U12；功率放大电路包括NPN型三极管Q11、电阻R14和电阻R15；预处理电路1的输入端经过电阻R11与运放器U11的同相输入端连接，运放器U11的同相输入端又经过电容C11接地；运放器U11的反相输入端经过电阻R12接地，其又经过电阻R13与其输出端连接；运放器U11的输出端接运放器U12的同相输入端，运放器U12的输出端经过电阻R14与NPN型三极管Q11的基极连接，NPN型三极管Q11的集电极经过电阻R15接工作电源，其发射极分别与运放器U12的反相输入端和压频振荡电路的输入端连接。
如图2所示，压频振荡2电路采用压控振荡芯片CD4047，并在其外围分别接有电阻R21、电容C21、电容C22、电容C23；磁隔离电路3为高频变压器T3；整流电路4为桥式整流器，桥式整流器主要由四个二极管D40组成。
如图2所示，滤波放大电路6包括电容C61、电阻R61、电阻R62、电容C62、电阻R63、电阻R64、电阻R65、运放器U61、电阻R66和电阻R67；整流电路4的负极输出端接地，电容C61、电阻R61以及串接的电阻R62和电容C62分别并接于桥式整流器的正、负输出端之间，电阻R63的一端分别接电阻R62和电容C62，电阻R63的另一端与压降补偿电路5的输出端汇合后再与运放器U61的同相输入端连接，运放器U61的反相输入端经过电阻R65接地，运放器U61的输出端经过电阻R67后作为滤波放大电路的输出端，运放器U61的反相输入端和滤波放大电路6的输出端之间接有电阻R66。如图3所示，滤波放大电路6中，滤波放大求和求路的输入输出之间的关系为，其输出电压OUT=(1+R66/R65)(V1*R64+V2*R63)/(R63+R64)。
由于整流二极管存在压降，同时存在温度漂移，需要对整流电路4的输出电压进行二极管压降补偿。如图2所示，压降补偿电路5包括稳压器、电阻R51、运放器U51和电阻R52；稳压器的输出端与运放器U51的同相输入端连接，运放器U51的反相输入端与输出端之间接有电阻R52，运放器U51的输出端作为压降补偿电路5的输出端，压降补偿电路5的输出端与整流电路的输出信号汇合（并非压降补偿电路的输出端与整流电路的输出端直接连接），再与滤波放大电路6中的运放器U61的同相输入端连接。稳压器包括电阻R51和两个二极管D50，其中一个二极管D50的负极接地，其正极接另一个二极管D50的负极，另一个二极管D50的正极经过电阻R51接工作电源，且该二极管D50的正极作为稳压器的输出端。稳压器中的二极管D50选用与整流电路4中的二极管D40型号相同的二极管，当温度一致时，稳压器中二极管D40和整流电路4中二极管D40流过的电流相同时，这两个二极管的正向压降也相等，因此可通过设置R51使稳压器的二极管D50流过的电流与整流电路4的二极管D40流过的电流尽可能地一致，进行补偿。
如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直流电压隔离采样电路，其特征在于：包括依次连接的预处理电路(1)、压频振荡电路(2)、磁隔离电路(3)和整流电路(4)，还包括压降补偿电路(5)和滤波放大电路(6)，整流电路(4)的输出端与滤波放大电路(6)的一个输入端连接，压降补偿电路(5)的输出端与滤波放大电路(6)的另一个输入端连接；预处理电路(1)用于对输入信号进行缓冲和滤波后，输出至压频振荡电路(2)，压频振荡电路(2)调制出高频信号，经磁隔离电路(3)传输至整流电路(4)，整流电路(4)将交流信号转换为直流信号，经压降补偿电路(5)补偿之后，再通过滤波放大电路(6)输出；其中，所述压降补偿电路(5)包括稳压器、电阻R51、运放器U51和电阻R52；稳压器的输出端与运放器U51的同相输入端连接，运放器U51的反相输入端与输出端之间接有电阻R52，运放器U51的输出端作为压降补偿电路(5)的输出端。
2.根据权利要求1所述的直流电压隔离采样电路，其特征在于：预处理电路(1)包括依次连接的滤波电路、跟随电路和功率放大电路。
3.根据权利要求2所述的直流电压隔离采样电路，其特征在于：滤波电路包括运放器U11、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C11；跟随电路包括运放器U12；功率放大电路包括NPN型三极管Q11、电阻R14和电阻R15；预处理电路(1)的输入端经过电阻R11与运放器U11的同相输入端连接，运放器U11的同相输入端又经过电容C11接地；运放器U11的反相输入端经过电阻R12接地，U11的反相输入端又经过电阻R13与U11的输出端连接；运放器U11的输出端接运放器U12的同相输入端，运放器U12的输出端经过电阻R14与NPN型三极管Q11的基极连接，NPN型三极管Q11的集电极经过电阻R15接工作电源，其发射极分别与运放器U12的反相输入端和压频振荡电路(2)的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的直流电压隔离采样电路，其特征在于：压频振荡电路(2)选用压控振荡芯片CD4047。
5.根据权利要求1所述的直流电压隔离采样电路，其特征在于：磁隔离电路(3)包括高频变压器T3。
6.根据权利要求1所述的直流电压隔离采样电路，其特征在于：整流电路(4)为桥式整流器。
7.根据权利要求6所述的直流电压隔离采样电路，其特征在于：桥式整流器主要由四个二极管D40组成，稳压器主要由与桥式整流器中的二极管型号相同的二极管D50组成。
8.根据权利要求1所述的直流电压隔离采样电路，其特征在于：滤波放大电路(6)包括电容C61、电阻R61、电阻R62、电容C62、电阻R63、电阻R64、电阻R65、运放器U61、电阻R66和电阻R67；整流电路(4)的负极输出端接地，电容C61、电阻R61、串接的电阻R62和电容C62分别并接于整流电路(4)的正、负输出端之间，电阻R63的一端分别接电阻R62和电容C62，电阻R63的另一端与压降补偿电路(5)的输出端汇合后再与运放器U61的同相输入端连接，运放器U61的反相输入端经过电阻R65接地，运放器U61的输出端经过电阻R67后作为滤波放大电路(6)的输出端，运放器U61的反相输入端和滤波放大电路(6)的输出端之间接有电阻R66。
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