CN103472291A - 一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统，包括串联的第一级电路和第二级电路；第一级电路采用差分方式用于对线路信号的采集，经限压、滤波后传给第二级电路；第二级电路对信号进行转换和隔离后输出。本发明采用差分采集方式，利用高速高精度串行/并行AD芯片实现模拟量/数字量转换，利用隔离光耦实现安全隔离，该采集系统既具有高速、高精度的特点，又能滤除干扰，实现高电压隔离，具有广泛的应用。

Description

一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统。

背景技术

近年来，数据采集及其应用技术受到人们越来越广泛的关注，数据采集系统也迅速的得到应用。传统的高压/大电流数据采集，多采用模拟量隔离的方式，如交流电压/电流的采集，可通过PT/CT隔离实现，直流电压/电流的采集，可通过电压/电流霍尔隔离实现。但隔离元件体积大、价格不菲，特别是电压/电流霍尔还需单独供电，实现复杂。

发明内容

针对现有高压/大电流数据采集技术的不足，本发明提出一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统，这种采集系统采用差分采集方式，利用高速高精度串行/并行AD芯片实现数字量/模拟量转换，利用隔离光耦实现安全隔离，该采集系统既具有高速、高精度的特点，又能滤除干扰，实现高电压隔离，具有广泛的应用。

本发明提供的一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统，包括串联的第一级电路和第二级电路；

所述第一级电路采用差分方式用于对线路信号的采集，经限压、滤波后传给第二级电路；

所述第二级电路对信号进行转换和隔离后输出。

其中，所述第一级电路包括依次串联的差分电路、限压电路、共模线圈、滤波电路和跟随电路。

其中，所述第二级电路包括依次串联的串/并行AD转换电路、第一整形电路、高压隔离光耦电路、第二整形电路和控制芯片；所述串/并行AD转换电路与所述第一级电路的跟随电路串联。

其中，在所述第一级电路中，所述差分电路包括两个RS-422差分发送驱动器和两个RS-422差分接收器；在所述两个RS-422差分发送驱动器中一个为主机发送驱动器，另一个为备机发送驱动器；在所述两个RS-422差分接收器中一个为主机接收器，另一个为备机接收器；在所述RS-422差分发送驱动器的输出端串联两个电阻R3，电阻R3阻值为15欧姆至30欧姆之间；在所述RS-422差分接收器接收端采用大电阻R4匹配电阻R3，其阻值为15千欧姆至30千欧姆之间；

所述限压电路是由一组反串联的稳压二极管与一组双向瞬态电压抑制器件TVS管并联组成；

所述共模线圈采用共模扼流圈；

所述滤波电路采用压控电压源二阶有源带通滤波器，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和运算放大器A；所述电阻R1与电阻R2串联，电阻R1一端接输入信号端Vi，另一端接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接信号输出端Vo；所述电容C2一端接电阻R1与电阻R2的公共连接点，另一端接电源地；所述电容C1一端接电阻R1与电阻R2的公共连接点，另一端接运算放大器的同相输入端；所述电阻R3一端接运算放大器的同相输入端，另一端接电源地；所述电阻R3一端接信号输出端Vo，另一端接运算放大器的反相输入端；所述电阻R5一端接运算放大器的反相输入端，另一端接电源地；

所述跟随电路包括电压跟随器。

其中，所述第一整形电路和第二整形电路结构相同，均包括一组施密特触发器；

所述施密特触发器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、比较器A、比较器B、与非门Y1、与非门Y2和非门F1；所述电阻R1，电阻R2和电阻R3依次串联，所述电阻R1一端接电源VCC，另一端接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端接电源地；所述电阻R1和电阻R2的公共连接点接到比较器A的同相输入端，所述电阻R2和电阻R3的公共连接点接到比较器B的反相输入端；所述比较器A的反相输入端和比较器B的同相输入端连接，并且共同接到信号输入端Vi；所述比较器A的输出端接到与非门Y1的一个输入端，比较器B的输出端接到与非门Y2的一个输入端，所述与非门Y1的另一个输入端接到与非门Y2的输出端，所述与非门Y2的另一个输入端接到与非门Y1的输出端；所述非门F1的输入端接到与非门Y2的输出端，非门F1的输出端接到信号输出端Vo。

其中，所述高压隔离光耦电路采用光耦隔离电路，实现信号的电气隔离。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明的数据采集系统，既具有高速、高精度的特点，又能滤除干扰，实现高电压隔离，具有广泛的应用。

本发明采用差分采集方式，利用高速高精度串行/并行AD芯片实现模拟量/数字量转换，利用隔离光耦实现安全隔离，该采集系统既具有高速、高精度的特点，又能滤除干扰，实现高电压隔离，具有广泛的应用。

本发明采用高压隔离光耦，将较难实现的模拟量的隔离，通过数字量隔离实现了，提高了采样电路的隔离电压等级，提高了电路的安全性和可靠性。

本发明选用快速AD转换芯片，提高了采样速率。

本发明选用高精度差分电路及滤波电路，提高了采样精度。

本发明的系统可用于串行AD采样，也可用于并行AD采样。

附图说明

图1为本发明提供的第一级电路的结构框图。

图2为本发明提供的第二级电路的结构框图。

图3为本发明提供的滤波电路的电路图。

图4为本发明提供的差分电路的电路图。

图5为本发明提供的整形电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提出的一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统，包括串联的第一级电路和第二级电路；第一级电路采用差分方式用于对线路信号的采集，经限压、滤波后传给第二级电路；第二级电路对信号进行转换和隔离后输出。第一级电路和第二级电路的结构框图分别如图1和图2所示。下面本实施例进行详细说明：

第一级电路

本实施例的第一级电路的结构框图如图1所示，包括依次串联的差分电路、限压电路、共模线圈、滤波电路和跟随电路。其中：

差分电路的电路图如图4所示，包括两个RS-422差分发送驱动器和两个RS-422差分接收器；在所述两个RS-422差分发送驱动器中一个为主机发送驱动器，另一个为备机发送驱动器；在所述两个RS-422差分接收器中一个为主机接收器，另一个为备机接收器；在所述RS-422差分发送驱动器的输出端串联两个电阻R3，电阻R3阻值为15欧姆至30欧姆之间；在所述RS-422差分接收器接收端采用大电阻R4匹配电阻R3，其阻值为15千欧姆至30千欧姆之间。

限压电路是由一组反串联的稳压二极管与一组双向瞬态电压抑制器件TVS管并联组成。当外加电压小于稳压二极管和TVS管导通电压时，稳压二极管和TVS管内阻很大，漏电流很小；当外加电压大于稳压二极管或TVS管导通电压时，其内阻急剧减小，可以流过很大的电流，而其两端的电压却只有少量的上升。并联稳压二极管的目的是提高稳压精度；并联TVS管的目的是增大击穿电流，快速消除瞬态干扰。

本实施例的共模线圈采用共模扼流圈实现，其作用相当于一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，所以它可以用来抑制共模电流骚扰。

滤波电路如图3所示，其采用压控电压源二阶有源带通滤波器，包括电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，电阻R5，电容C1，电容C2和运算放大器A。其中电阻R1与电阻R2串联，电阻R1一端接输入信号端Vi，一端接电阻R2，电阻R2一端接电阻R1，一端接信号输出端Vo；电容C2一端接电阻R1与电阻R2的公共连接点，一端接电源地；电容C1一端接电阻R1与电阻R2的公共连接点，一端接运算放大器的同相输入端；电阻R3一端接运算放大器的同相输入端，一端接电源地；电阻R3一端接信号输出端Vo，一端接运算放大器的反相输入端；电阻R5一端接运算放大器的反相输入端，一端接电源地。压控电压源二阶有源带通滤波器能够使通频带以外的频率信号以更快的速度衰减，可以很好地提取到需要的频率信号，频率选择性好。

跟随电路采用集成运放电压跟随器实现。由于集成运放具有极高的开环增益，所以集成运放电压跟随器的性能非常接近理想状态，并且无外围元件，无须调整，这是晶体管电压跟随器（射级跟随器）所无法比拟的。本电压跟随器电路作为上级电路的高阻抗输入级，可以减轻对信号源的影响。作为整个电路的低阻抗输出级，可以提高带负载的能力。

第二级电路

本实施例的第二级电路的结构框图如图2所示，其包括依次串联的串/并行AD转换电路、第一整形电路、高压隔离光耦电路、第二整形电路和控制芯片；串/并行AD转换电路与第一级电路的跟随电路连接。其中：

第一整型电路和第二整型电路结构相同，如图5所示，均包括一组施密特触发器。施密特触发器包括电阻R1，电阻R2，电阻R3，比较器A，比较器B，与非门Y1，与非门Y2和非门F1。电阻R1，电阻R2，电阻R3依次串联，电阻R1一端接电源VCC，一端接电阻R2，电阻R2一端接电阻R1，一端接电阻R3，电阻R3一端接电阻R2，一端接电源地；电阻R1和电阻R2的公共连接点接到比较器A的同相输入端，电阻R2和电阻R3的公共连接点接到比较器B的反相输入端；比较器A的反相输入端和比较器B的同相输入端连接，共同接到信号输入端Vi；比较器A的输出端接到与非门Y1的一个输入端，比较器B的输出端接到与非门Y2的一个输入端，与非门Y1的另一个输入端接到与非门Y2的输出端，与非门Y2的另一个输入端接到与非门Y1的输出端；非门F1的输入端接到与非门Y2的输出端，与非门F1的输出端接到信号输出端Vo。

整形电路由上行和下行两通道组成，上行通道是将模拟信号的AD转换结果进行整形，然后传输给上级芯片。下行通道是将上级芯片的转换控制信号传输给下级电路。两通道缺一不可，否则无法完成数据采集。

整型电路的上行通道和下行通道分别使用一个施密特触发器对两路信号进行整形,当传输的信号受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲，具有更好的抗干扰能力。传统的单门限电压比较器，当输入信号每通过一次零时触发器的输出就要产生一次突然的变化。但该信号整形电路抗干扰能力差：由于干扰信号的存在，将导致信号在过零点时会产生多次触发的现象，从而影响本系统中FPGA芯片信号计数。而施密特触发器利用其回差特性可以有效避免单门限电压比较器的不足，从而提高了抗干扰能力。

高压隔离光耦电路采用高压隔离光耦实现强弱电信号的电气隔离，提高了控制的安全性。

控制芯片采用FPGA实现，FPGA运行速度快，FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百兆赫兹，同时编程和电路设计都较为简易。

本实施例的总体实现过程如下：

本实施例采用差分电路将高压/大电流信号转换成低电压信号，后采用TVS管等限压元件保护后级电路，再采用共模线圈滤除共模干扰，最后采用滤波电路和跟随电路，进一步滤除干扰，增大电路驱动能力。信号进入第二级电路，第二级电路中，跟随电路输出信号作为AD芯片的输入，采用高速高精度串行/并行AD芯片实现模拟量/数字量转换。AD芯片的控制信号由上级控制芯片通过光耦隔离提供，转换结果经过整形后通过光耦隔离输出至控制芯片。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种高速高精度高隔离电压的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统包括串联的第一级电路和第二级电路；

所述第一级电路采用差分方式用于对线路信号的采集，经限压、滤波后传给第二级电路；

所述第二级电路对信号进行转换和隔离后输出。

2.如权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于，所述第一级电路包括依次串联的差分电路、限压电路、共模线圈、滤波电路和跟随电路。

3.如权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于，所述第二级电路包括依次串联的串/并行AD转换电路、第一整形电路、高压隔离光耦电路、第二整形电路和控制芯片；

所述串/并行AD转换电路与所述第一级电路的跟随电路串联。

4.如权利要求2所述的数据采集系统，其特征在于，在所述第一级电路中，

所述差分电路包括两个RS-422差分发送驱动器和两个RS-422差分接收器；在所述两个RS-422差分发送驱动器中一个为主机发送驱动器，另一个为备机发送驱动器；在所述两个RS-422差分接收器中一个为主机接收器，另一个为备机接收器；在所述RS-422差分发送驱动器的输出端串联两个电阻R3，电阻R3阻值为15欧姆至30欧姆之间；在所述RS-422差分接收器接收端采用大电阻R4匹配电阻R3，其阻值为15千欧姆至30千欧姆之间；

所述限压电路是由一组反串联的稳压二极管与一组双向瞬态电压抑制器件TVS管并联组成；

所述共模线圈采用共模扼流圈；

所述滤波电路采用压控电压源二阶有源带通滤波器，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和运算放大器A；所述电阻R1与电阻R2串联，电阻R1一端接输入信号端Vi，另一端接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接信号输出端Vo；所述电容C2一端接电阻R1与电阻R2的公共连接点，另一端接电源地；所述电容C1一端接电阻R1与电阻R2的公共连接点，另一端接运算放大器的同相输入端；所述电阻R3一端接运算放大器的同相输入端，另一端接电源地；所述电阻R3一端接信号输出端Vo，另一端接运算放大器的反相输入端；所述电阻R5一端接运算放大器的反相输入端，另一端接电源地；

所述跟随电路包括电压跟随器。

5.如权利要求3所述的数据采集系统，其特征在于，所述第一整形电路和第二整形电路结构相同，均包括一组施密特触发器；

所述施密特触发器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、比较器A、比较器B、与非门Y1、与非门Y2和非门F1；所述电阻R1，电阻R2和电阻R3依次串联，所述电阻R1一端接电源VCC，另一端接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端接电源地；所述电阻R1和电阻R2的公共连接点接到比较器A的同相输入端，所述电阻R2和电阻R3的公共连接点接到比较器B的反相输入端；所述比较器A的反相输入端和比较器B的同相输入端连接，并且共同接到信号输入端Vi；所述比较器A的输出端接到与非门Y1的一个输入端，比较器B的输出端接到与非门Y2的一个输入端，所述与非门Y1的另一个输入端接到与非门Y2的输出端，所述与非门Y2的另一个输入端接到与非门Y1的输出端；所述非门F1的输入端接到与非门Y2的输出端，非门F1的输出端接到信号输出端Vo。

6.如权利要求3所述的数据采集系统，其特征在于，所述高压隔离光耦电路采用光耦隔离电路，实现信号的电气隔离。

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