CN103869144A - 一种隔离电压采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离电压采样电路。目前精度高、速度快的隔离采样方案成本都比较高。本发明包括单运放恒流源电路，锯齿波积分电路，电压调制比较电路，高速光耦传输电路。单运放恒流源电路产生高精度的恒定电流提供给锯齿波积分电路，锯齿波积分电路通过特殊的结构产生高线性度的幅值可调的锯齿波。然后通过比较器比较锯齿波与待测电压，将待测电压调制成PWM。最后通过高速光耦将PWM传输到另外一个系统中,以此实现电压的隔离采样。此电路采用一个单电源供电即可；通过改变少数相关元件参数，可以灵活调节采样周期和采样电压的动态范围。此电路成本低，精度高，应用场合广泛。

Description

一种隔离电压采样电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种隔离电压采样电路。

背景技术

电压采样在电力电子系统中常常起着非常重要的作用。对于共地的系统，电压采样相对简单；对于互相隔离的系统，电压的采样就困难很多。传统的隔离系统中进行电压采样主要有以下几种：第一种，将电压转化成电流，再通过霍尔电流传感器传递后再转化成电压，最后进行电压采样，这种方法精度高，但是霍尔电流传感器较贵；第二种，V/F方式，先将电压通过专用集成芯片转化成频率，再通过光耦合器传输给另外一个系统，通过测量所得到的脉冲的频率可以得到电压值，这种方法缺点是每次采样时间随着脉冲频率变化而变化，无法满足实时控制的需要。第三种，通过基于磁耦合原理的隔离放大器进行传输，这种方法精度高，速度快，但是相应隔离放大器非常昂贵。第四种，通过线性光耦及相应外围电路传输，这种方法精度较高，但是相应光耦较贵，且传输电压动态范围很小，易受温度影响。

发明内容

本发明目的就是克服现有技术的不足，提供一种隔离电压采样电路。

本发明一种隔离电压采样电路包括单运放恒流源电路、锯齿波积分电路、电压调制比较电路和高速光耦传输电路。

单运放恒流源电路包括运算放大器U1、基准源TL431、第一电阻R1、第二电阻R2,第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6。其中第一电阻R1一端与VCC1电源连接，另外一端与基准源TL431芯片的阴极、第二电阻R2的一端连接；基准源TL431的阴极与其参考端连接，基准源TL431的阳极与第三电阻R3的一端连接并接GND1；第二电阻R2另外一端与运算放大器U1的同相端、第六电阻R6的一端连接；第三电阻R3另一端与运算放大器U1的反相端、第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端与运算放大器U1的输出端、第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另外一端与第六电阻R6的另一端连接并作为恒定电流输出端。 

锯齿波积分电路包括第一比较器U2、NMOS开关管Q1,高速开关二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；其中第七电阻R7一端与VCC1电源连接，另一端与第一比较器U2的反相端、第八电阻R8的一端连接；第八电阻R8另一端与GND1连接；第九电阻R9一端与VCC1电源连接，另一端与第十电阻R10的一端、高速开关二极管D1的阳极连接；第十电阻R10的另一端与第一比较器U2的输出端连接；高速开关二极管D1的阴极与开关管Q1的栅极、第二电容C2的一端、第十一电阻R11的一端连接；第二电容C2的另一端与第十一电阻R11的另一端、NMOS开关管Q1的源极、第一电容C1的一端连接并接GND1；第一电容C1的另一端与NMOS开关管Q1的漏极、第一比较器U2的同相端连接并接恒定电流输出端。

电压调制比较电路包括第二比较器U3和第十二电阻R12。第二比较器U3的同相端与恒定电流输出端连接；第十二电阻R12一端与第二比较器U3的反相端连接，另一端与待测电压输入端连接。

高速光耦传输电路包括高速光耦U4、第十三电阻R13和第十四电阻R14；高速光耦U4的发光二极管的阴极与第二比较器U3的输出端连接；第十三电阻R13的一端与VCC1电源连接，另一端与高速光耦U4的发光二极管的阳极连接；高速光耦U4的光敏三极管的集电极接VCC2电源;高速光耦U4的光敏三极管的发射极与第十四电阻R14的一端连接并作为PWM信号输出端；第十四电阻R14另一端接GND2。

本发明首先通过基准源TL431产生一个高精度的基准源电压，然后通过以运算放大器U1为关键器件的单电源恒流源电路产生恒定输出电流，电流方向为从第五电阻R5流向第一电容C1。恒定电流的大小等于基准源TL431基准电压与第五电阻R5的比值。

第七电阻R7和第八电阻R8将电源电压分压产生一个电压基准Vref给第一比较器U2的反相端。第一电容C1在恒定电流的充电之下，第一比较器U2的3脚上的电压电高度线性上升。当第一比较器U2的同相端上的电压低于反相端的电压的时候，比较器输出低电平，第九电阻R9和第十电阻R10对电源进行分压，第十电阻R10上的电压处于一个较小的电压值，高速开关二极管D1处于导通状态。开关管Q1栅极电压被高速开关二极管D1拑位在一个特定的电压值（这个特定电压值小于开关管的开启阈值电压），开关管处于截止状态。当第一比较器U2的同相端上的电压超过反相端上的参考电压的瞬间，比较器输出高阻状态，此时，电源通过第九电阻R9、高速开关二极管D1的途径对开关管Q1栅极进行快速充电。当开关管Q1栅极电压高于开启阈值电压的时候，开关管导通,第一电容C1上的电荷泄放到地，电压下降。当第一比较器U2的同相端上的电压降低到小于反相端上的电压的瞬间，比较器输出低电平，第九电阻R9和第十电阻R10对电源进行分压，第十电阻R10上的电压处于一个较小的电压值，由于此时高速开关二极管D1阳极电压小于阴极电压，高速开关二极管D1截止。开关管Q1栅极上的电压通过第十一电阻R11较缓地放电（相对于栅极充电过程），第一电容C1上的电压降低到0V。当开关管Q1栅极上的电压降低到低于开关管Q1的开启阈值电压后，开关管Q1截止，此时，第一电容C1上的电压又从0V开始线性上升。这个过程周期循环，产生高线性度的锯齿波。

第二比较器U3的反相端接待测电压输入，同相端接有上述电路产生的高线性度锯齿波。当锯齿波电压值小于待测电压时，第二比较器U3输出低电平，此时，高速光耦U4的发光二极管导通，对应的光敏三极管导通；PWM输出高电平。当锯齿波电压值大于待测电压时，比较器输出高阻状态，此时，光耦发光二极管截止，对应光敏三极管截止，PWM输出低电平。

本发明中的待采样电压就由上述电路转化成相应占空比的PWM信号，通过光耦传输到另一个隔离的系统中。在另外一个系统中可以采用多种方法测出PWM的占空比，得到相应的电压值。此电路采用方便的同一个单电源供电即可；通过改变R5的值，可以改变恒流源的大小，灵活调节采样周期；通过改变R8的值，可以灵活调节信号的采样最大幅度。此电路成本低，精度高，应用场合广泛。

附图说明

图1是本发明的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种隔离电压采样电路包括单运放恒流源电路、锯齿波积分电路、电压调制比较电路和高速光耦传输电路。

单运放恒流源电路包括运算放大器U1、基准源TL431、第一电阻R1、第二电阻R2,第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6。其中第一电阻R1一端与VCC1电源连接，另外一端与基准源TL431芯片的阴极、第二电阻R2的一端连接；基准源TL431的阴极与其参考端连接，基准源TL431的阳极与第三电阻R3的一端连接并接GND1；第二电阻R2另外一端与运算放大器U1的同相端、第六电阻R6的一端连接；第三电阻R3另一端与运算放大器U1的反相端、第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端与运算放大器U1的输出端、第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另外一端与第六电阻R6的另一端连接并作为恒定电流输出端。 

锯齿波积分电路包括第一比较器U2、NMOS开关管Q1,高速开关二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；其中第七电阻R7一端与VCC1电源连接，另一端与第一比较器U2的反相端、第八电阻R8的一端连接；第八电阻R8另一端与GND1连接；第九电阻R9一端与VCC1电源连接，另一端与第十电阻R10的一端、高速开关二极管D1的阳极连接；第十电阻R10的另一端与第一比较器U2的输出端连接；高速开关二极管D1的阴极与开关管Q1的栅极、第二电容C2的一端、第十一电阻R11的一端连接；第二电容C2的另一端与第十一电阻R11的另一端、NMOS开关管Q1的源极、第一电容C1的一端连接并接GND1；第一电容C1的另一端与NMOS开关管Q1的漏极、第一比较器U2的同相端连接并接恒定电流输出端。

电压调制比较电路包括第二比较器U3和第十二电阻R12。第二比较器U3的同相端与恒定电流输出端连接；第十二电阻R12一端与第二比较器U3的反相端连接，另一端与待测电压输入端连接。

高速光耦传输电路包括高速光耦U4、第十三电阻R13和第十四电阻R14；高速光耦U4的发光二极管的阴极与第二比较器U3的输出端连接；第十三电阻R13的一端与VCC1电源连接，另一端与高速光耦U4的发光二极管的阳极连接；高速光耦U4的光敏三极管的集电极接VCC2电源;高速光耦U4的光敏三极管的发射极与第十四电阻R14的一端连接并作为PWM信号输出端；第十四电阻R14另一端接GND2。

本发明首先通过基准源TL431产生一个高精度的基准源电压，然后通过以运算放大器U1为关键器件的单电源恒流源电路产生恒定输出电流，电流方向为从第五电阻R5流向第一电容C1。恒定电流的大小等于基准源TL431基准电压与第五电阻R5的比值。

第七电阻R7和第八电阻R8将电源电压分压产生一个电压基准Vref给第一比较器U2的反相端。第一电容C1在恒定电流的充电之下，第一比较器U2的3脚上的电压电高度线性上升。当第一比较器U2的同相端上的电压低于反相端的电压的时候，比较器输出低电平，第九电阻R9和第十电阻R10对电源进行分压，第十电阻R10上的电压处于一个较小的电压值，高速开关二极管D1处于导通状态。开关管Q1栅极电压被高速开关二极管D1拑位在一个特定的电压值（这个特定电压值小于开关管的开启阈值电压），开关管处于截止状态。当第一比较器U2的同相端上的电压超过反相端上的参考电压的瞬间，比较器输出高阻状态，此时，电源通过第九电阻R9、高速开关二极管D1的途径对开关管Q1栅极进行快速充电。当开关管Q1栅极电压高于开启阈值电压的时候，开关管导通,第一电容C1上的电荷泄放到地，电压下降。当第一比较器U2的同相端上的电压降低到小于反相端上的电压的瞬间，比较器输出低电平，第九电阻R9和第十电阻R10对电源进行分压，第十电阻R10上的电压处于一个较小的电压值，由于此时高速开关二极管D1阳极电压小于阴极电压，高速开关二极管D1截止。开关管Q1栅极上的电压通过第十一电阻R11较缓地放电（相对于栅极充电过程），第一电容C1上的电压降低到0V。当开关管Q1栅极上的电压降低到低于开关管Q1的开启阈值电压后，开关管Q1截止，此时，第一电容C1上的电压又从0V开始线性上升。这个过程周期循环，产生高线性度的锯齿波。

第二比较器U3的反相端接待测电压输入，同相端接有上述电路产生的高线性度锯齿波。当锯齿波电压值小于待测电压时，第二比较器U3输出低电平，此时，高速光耦U4的发光二极管导通，对应的光敏三极管导通；PWM输出高电平。当锯齿波电压值大于待测电压时，比较器输出高阻状态，此时，光耦发光二极管截止，对应光敏三极管截止，PWM输出低电平。

Claims (1)

1. 一种隔离电压采样电路，包括单运放恒流源电路、锯齿波积分电路、电压调制比较电路和高速光耦传输电路；

其特征在于：所述的单运放恒流源电路包括运算放大器U1、基准源TL431、第一电阻R1、第二电阻R2,第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6；其中第一电阻R1一端与VCC1电源连接，另外一端与基准源TL431芯片的阴极、第二电阻R2的一端连接；基准源TL431的阴极与其参考端连接，基准源TL431的阳极与第三电阻R3的一端连接并接GND1；第二电阻R2另外一端与运算放大器U1的同相端、第六电阻R6的一端连接；第三电阻R3另一端与运算放大器U1的反相端、第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端与运算放大器U1的输出端、第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另外一端与第六电阻R6的另一端连接并作为恒定电流输出端； 

锯齿波积分电路包括第一比较器U2、NMOS开关管Q1,高速开关二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；其中第七电阻R7一端与VCC1电源连接，另一端与第一比较器U2的反相端、第八电阻R8的一端连接；第八电阻R8另一端与GND1连接；第九电阻R9一端与VCC1电源连接，另一端与第十电阻R10的一端、高速开关二极管D1的阳极连接；第十电阻R10的另一端与第一比较器U2的输出端连接；高速开关二极管D1的阴极与开关管Q1的栅极、第二电容C2的一端、第十一电阻R11的一端连接；第二电容C2的另一端与第十一电阻R11的另一端、NMOS开关管Q1的源极、第一电容C1的一端连接并接GND1；第一电容C1的另一端与NMOS开关管Q1的漏极、第一比较器U2的同相端连接并接恒定电流输出端；

电压调制比较电路包括第二比较器U3和第十二电阻R12；第二比较器U3的同相端与恒定电流输出端连接；第十二电阻R12一端与第二比较器U3的反相端连接，另一端与待测电压输入端连接；

高速光耦传输电路包括高速光耦U4、第十三电阻R13和第十四电阻R14；高速光耦U4的发光二极管的阴极与第二比较器U3的输出端连接；第十三电阻R13的一端与VCC1电源连接，另一端与高速光耦U4的发光二极管的阳极连接；高速光耦U4的光敏三极管的集电极接VCC2电源;高速光耦U4的光敏三极管的发射极与第十四电阻R14的一端连接并作为PWM信号输出端；第十四电阻R14另一端接GND2。

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