CN103595398A - 基于时间比率pwm调制的模拟量光电隔离转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于时间比率PWM调制的模拟量光电隔离转换电路，以光电耦合电路为界分为两部分，一部分主要由调理电路和PWM电路组成，直接与主电路连接；另一部分主要是积分路，直接与控制电路连接；第一和第二电源在电气上相互独立，两部分电路通过光电耦合电路传递信号，实现电气隔离。本发明技术方案先将模拟量信号转化为脉冲信号，经光电耦合作用于积分电路，再转换为模拟量信号，不仅实现了主电路和控制电路的电气隔离，还利用PWM脉冲及光电耦合的特性提高了传输信号的抗干扰能力；更进一步，可以利用PWM脉冲传输的特点，通过增强PWM脉冲的强度，进行远距离的信号传输，扩大该电路的使用范围。

Description

基于时间比率PWM调制的模拟量光电隔离转换电路

技术领域

本发明属于材料加工技术，更加具体地说，涉及一种电气设备电参数检测过程中的电气隔离和拟制噪声干扰的方法和测量电路。

背景技术

在许多电气设备中，电路往往由主电路（电力电路）和控制电路（电子电路）组成，主电路输出能量做功，控制电路获取主电路相关的信号（如电流、电压、温度、速度等）去控制主电路的能量输出并显示或记录有关参数。主电路相关的信号一般要转化为电压信号以便于控制电路处理，其中可能会因为主电路电压较高，电流较大，噪声干扰等因素需要在主电路和控制电路之间设置电气隔离措施及抗干扰电路，如附图1所示的典型的电路系统的结构。

电气隔离的目的主要是保护控制电路或隔离干扰信号，目前常用的电气隔离方法有磁隔离和光电隔离两类：磁隔离是利用磁场传递信号实现电信号的隔离，基本的传递路径是电信号或其它信号转化的电信号（主电路）→磁信号→电信号（控制电路），两边的电信号没有直接的电路联系而实现隔离，如电流或电压LEM传感器；光电隔离是利用光传递信号实现电信号的隔离，基本的传递路径是电信号或其它信号转化的电信号（主电路）→光信号→电信号（控制电路），两边的电信号也没有直接的电路联系而实现隔离，如线性光电耦合器件。采用磁隔离原理的传感器相对于印刷线路板一般体积重量较大，一般不直接安装在线路板上，其检测信号通过线路连接到线路板（控制电路），传输的是模拟量信号，易受干扰。线性光电耦合器件虽然体积重量较小，然而对于较大范围变化的信号对器件的线性度有很高要求，不易调整，且其传输仍是模拟量信号，易受干扰。

发明内容

本发明的技术目的在于克服现有技术的不足，提出一种新的模拟量信号传输电路和方法，利用光电脉冲信号的转换实现主电路和控制电路的电气隔离，提高传输信号的抗干扰能力，使相关电路的设计安装更为灵活。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

基于时间比率PWM调制的模拟量光电隔离转换电路，包括如下部分：

调理电路，与主电路相连，并将主电路电信号转化为PWM电路要求的电信号；

PWM电路，接收调理电路传出的电信号，并转化为第一脉冲序列；

光电耦合电路，接收PWM电路传出的第一脉冲序列，并在其输出端产生第二脉冲序列；

积分电路，接收光电耦合电路输出的第二脉冲序列，并输出最终电信号给控制电路；

第一电源（即电源1）为调理电路和PWM电路供电；第二电源（即电源2）为积分电路供电；所述第一电源和第二电源在电气上相互独立。

所述PWM即pulse width modify的缩写形式，由PWM电路输出脉冲序列，脉冲的频率保持不变，利用脉冲宽度的变化反映采集信号的变化。

具体来说，以光电耦合电路为界分为两部分，左边的部分主要由调理电路和PWM电路组成，直接与主电路连接，由电源1供电；右边的部分主要是积分电路，直接与控制电路连接，由电源2供电；电源1和电源2，两部分电路通过光电耦合电路传递信号，实现电气隔离。

上述电路接到由主电路来的信号V1（例如：经分压电阻降压的电压信号、分流器变换的电流信号），经调理电路处理得到适合PWM电路要求的电压信号V2；调理电路主要由放大电路组成，设其放大倍数为k1，则V1＝V2/k1。

模拟量的V2信号经PWM电路转换为峰值为Vc1（第一电源的电压）、宽度为w1、周期为T的脉冲序列，其中V2∝w1/T，二者之间的比例系数取决于PWM电路的结构和特性，一旦PWM电路确定，则此比例系数也就确定了；不妨设此系数为k2，则V2＝k2×（w1/T）。

PWM电路产生的脉冲序列作用于光电耦合电路输入端，在其输出端也产生脉冲序列，脉冲峰值为Vc2（第二电源的电压），周期不变，宽度为w2，脉冲序列的平均值为Vc2×（w2/T），且可以认为w1=w2；光电耦合电路输出的脉冲序列作用于积分电路，使积分电路的积分时间常数>3T，输出模拟量V3（积分值），则可近似认为积分值与平均值相等

V3＝Vc2×（w2/T）

这样就有

V1＝k2×V3/(k1×Vc2)

因为一旦电路确定后，k1、k2和Vc2都是确定的值，只要测得V3的大小，就可以确定V1的大小，从而实现对主电路信号的测量。

本发明的技术方案提出一种新的模拟量信号传输电路和方法，先将模拟量信号转化为脉冲信号，经光电耦合作用于积分电路，再转换为模拟量信号，不仅实现了主电路和控制电路的电气隔离，还利用PWM脉冲及光电耦合的特性提高了传输信号的抗干扰能力；可直接安装到线路板上或独立制作成线路板。更进一步，可以利用PWM脉冲传输的特点，通过增强PWM脉冲的强度，进行远距离的信号传输，扩大该电路的使用范围。噪声信号一般较弱，频率较高，而该电路中选择合适的光电耦合电路，要求较强的脉冲信号，再加上其中的积分电路可以有效抑制噪声信号。该电路适合相对稳定的信号检测，对于变化剧烈的信号必须通过提高PWM脉冲的频率加以适应，这会受到PWM电路器件、光电耦合电路器件等能力的限制。

附图说明

图1是现有的典型的电路系统的结构，其中的有间断的箭头符号表示信号传递过程需要进行电气隔离。

图2是本发明的电路的结构图。

图3是PWM控制原理简要示意图。

图4是脉冲序列、积分输出和平均值之间的关系示意图。

图5是利用本发明技术方案的电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如附图2所示的电路结构图，其中以光电耦合电路为界分为两部分，左边的部分主要由调理电路和PWM电路组成，直接与主电路连接，由电源1供电；右边的部分主要是积分路，直接与控制电路连接，由电源2供电；电源1和电源2在电气上相互独立，两部分电路通过光电耦合电路传递信号，实现电气隔离。

上述电路接到由主电路来的信号V1（例如：经分压电阻降压的电压信号、分流器变换的电流信号），经调理电路处理得到适合PWM电路要求的电压信号V2；调理电路主要由放大电路组成，设其放大倍数为k1，则V1＝V2/k1。PWM即pulse width modify的缩写形式，由电路输出脉冲序列，脉冲的频率保持不变，利用脉冲宽度的变化反映采集信号的变化。

模拟量的V2信号经PWM电路转换为峰值为Vc1（电源电压）、宽度为w1、周期为T的脉冲序列，其中V2∝w1/T，二者之间的比例系数取决于PWM电路的结构和特性，一旦PWM电路确定，则此比例系数也就确定了；不妨设此系数为k2，则V2＝k2×（w1/T）。

PWM电路产生的脉冲序列作用于光电耦合电路输入端，在其输出端也产生脉冲序列，脉冲峰值为Vc2（电源电压），周期不变，宽度为w2，脉冲序列的平均值为Vc2×（w2/T），且可以认为w1=w2；光电耦合电路输出的脉冲序列作用于积分电路，使积分电路的积分时间常数>3T，输出模拟量V3（积分值），则可近似认为积分值与平均值相等

V3＝Vc2×（w2/T）

这样就有

V1＝k2×V3/(k1×Vc2)

因为一旦电路确定后，k1、k2和Vc2都是确定的值，只要测得V3的大小，就可以确定V1的大小，从而实现对主电路信号的测量。如附图3和4所示，只要积分时间常数足够大，积分值的波动趋于与平均值重合。

能够符合本发明所述电路结构原理的电路可以有多种选择，下面举一例具体电路说明。如附图5所示，由运算放大器N1、N2、PWM控制器SG3524、光电耦合器6N137为主组成了基于PWM调制的模拟量光电隔离转换电路。图中的±15V电源电路与＋5V电源电路相互独立，无电气连接；N1和N2都选用OP07运算放大器。

输入信号为由分流器转换输出的信号，分流器是将电流信号转换为电压信号的器件，转换后的电压信号较弱，经N1组成的反相放大电路放大，再经N2组成的比例加法器电路整定，信号输入到PWM控制器SG3524－2；经PWM控制器信号变换为频率和周期固定的脉冲序列在SG3524－11输出，脉冲信号的周期由电阻R_T和电容C_T确定为40μs，R_T和C_T的大小可参考SG3524使用说明确定；SG3524－11输出的脉冲序列作用于光电耦合器6N137－3，最终在6N137－6仍输出脉冲序列；该脉冲序列作用于积分电路，积分电路由电阻R₁、R₂、电容C₁和一个二极管组成，R₁、R₂的取值都应在1KΩ以上；R₁C₁决定电容C₁充电时间常数，R₂C₁决定电容C₁放电时间常数，使充放电常数都大于2ms，该电路比较适合输入信号变化频率为5000Hz以下时的情况。

上述电路与原理电路的对应关系如下：分流器转换输出的信号可视作原理电路的V1；N1和N2为主的两个电路综合放大倍数可视作k1；SG3524－2的输入信号可视作V2＋1（SG3524要求的输入电压范围为1～3.5V，N2为核心的比例加法电路整定时在所传输信号上加1V），V2在0～2.5V之间变化时，脉冲宽度在（0～45％）×40μs之间成比例变化，由此可确定k2；Vc2＝5V，Vc1＝15V；电容C₁处的输出信号可视作V3。根据上述确定的值，可利用理论公式进行计算，由测得的V3确定输入的V1。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于时间比率PWM调制的模拟量光电隔离转换电路，其特征在于，包括如下部分：

调理电路，与主电路相连，并将主电路电信号转化为PWM电路要求的电信号；

PWM电路，接收调理电路传出的电信号，并转化为第一脉冲序列；

光电耦合电路，接收PWM电路传出的第一脉冲序列，并在其输出端产生第二脉冲序列；

积分电路，接收光电耦合电路输出的第二脉冲序列，并输出最终电信号给控制电路；

第一电源为调理电路和PWM电路供电；第二电源为积分电路供电；所述第一电源和第二电源在电气上相互独立。

2.根据权利要求1所述的基于时间比率PWM调制的模拟量光电隔离转换电路，其特征在于，所述主电路电信号为电压信号V1，所述调理电路将电压信号处理得到适合PWM电路要求的模拟电压信号V2；

所述模拟电压信号经PWM电路转换为脉冲峰值为第一电源电压Vc1、宽度为w1、周期为T的第一脉冲序列；

所述PWM电路产生的第一脉冲序列作用于光电耦合电路的输入端，在其输出端产生第二脉冲序列，其脉冲峰值为第二电源电压Vc2，周期为T，宽度为w2，脉冲序列的平均值为Vc2×（w2/T），且可以认为w1=w2；

所述光电耦合电路输出的第二脉冲序列作用于积分电路，使积分电路的积分时间常数>3T，输出最终电信号V3，所述最终电信号为通过积分获得的模拟量（积分值），则近似认为积分值与平均值相等V3＝Vc2×（w2/T）。

3.根据权利要求2所述的基于时间比率PWM调制的模拟量光电隔离转换电路，其特征在于，通过测得所述最终电信号V3的大小以确定所述主电路电信号V1，从而实现对主电路信号的测量。

4.如权利要求1-3之一所述的基于时间比率PWM调制的模拟量光电隔离转换电路在实现主电路和控制电路电气隔离中的应用，将主电路模拟量信号转化为脉冲信号，经光电耦合作用于积分电路，再转换为模拟量信号传输给控制电路。

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