CN104038204B - 数字信号隔离传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字信号隔离传输装置，包括信号转换模块、耦合变压器、施密特触发器以及偏置电压提供模块；耦合变压器包括初级绕组以及次级绕组，初级绕组的第一端与信号转换模块的信号输出端连接，第二端接地；次级绕组的第一端与施密特触发器的信号输入端连接，第二端与通过偏置电压提供模块接地；其中，信号转换模块将输入的待传输数字信号的上升沿转换为正向尖脉冲信号，下降沿转换为负向尖脉冲信号；在有脉冲信号产生时，偏置电压提供模块提供正向偏置电压，无脉冲信号产生时，为施密特触发器的信号输入端提供信号保持电压。通过本发明，在信号中包含较多直流分量的情况下，也能使用磁耦合的方式来实现数字信号的隔离传输。

Description

数字信号隔离传输装置

技术领域

本发明涉及数字信号传输技术领域，特别是涉及数字信号隔离传输装置。

背景技术

在医疗设备、工业控制、高精度数据采集、长距离通信、高低压混合系统等电路设计中，经常要用到数字信号隔离传输电路。数字信号隔离传输电路主要用于实现各种数字设备之间通讯的电气隔离。一般来说，常用的隔离方式有光耦合隔离和磁耦合隔离两种。

其中，普通的光耦合电路在低速率数据传输时成本较低，在用于高频信号的传输时成本较高，而且功耗也很高，因此，光耦合隔离方式适合传输低频信号和直流信号，但功耗较大；磁耦合隔离方式适合传输高频信号，成本较低且传输带宽也较高，但是，由于磁耦合是利用电磁信号的交变来传递信号，在信号中包含较多直流分量时无法直接传输，因此，磁耦合电路一般不能用于直流或低频信号的传输，且需要对隔离输出信号整形后才能为接收数字电路使用。

因此，迫切需要本领域技术人员解决的技术问题就在于，如何在信号中包含较多直流分量的情况下，也能使用磁耦合的方式来实现数字信号的隔离传输。

发明内容

本发明提供了数字电路隔离传输装置，在信号中包含较多直流分量的情况下，也能使用磁耦合的方式来实现数字信号的隔离传输，并且电路简单，功耗和成本都比较低。

本发明提供了如下方案：

一种数字信号隔离传输装置，包括信号转换模块、耦合变压器、施密特触发器以及偏置电压提供模块；

所述耦合变压器包括初级绕组以及次级绕组，所述初级绕组的第一端与所述信号转换模块的信号输出端连接，第二端接地；

所述次级绕组的第一端与所述施密特触发器的信号输入端连接，第二端通过所述偏置电压提供模块接地；

其中，所述信号转换模块将输入的待传输数字信号的上升沿转换为正向尖脉冲信号，下降沿转换为负向尖脉冲信号，并输入到所述耦合变压器的初级绕组，以便初级绕组将脉冲信号耦合到次级绕组，并通过次级绕组输入到所述施密特触发器；

在次级绕组中有脉冲信号产生时，所述偏置电压提供模块为耦合过来的脉冲信号提供正向偏置电压，以使得耦合过来的正向尖脉冲信号将所述施密特触发器的输出置高，耦合过来的负向尖脉冲信号将所述施密特触发器的输出置低；

在次级绕组中没有脉冲信号产生时，所述偏置电压提供模块为所述施密特触发器的信号输入端提供信号保持电压，以使得施密特触发器的输出保持在脉冲信号消失前的状态不变，其中，所述信号保持电压在施密特触发器的正向阈值电压与负向阈值电压之间。

可选地，所述信号转换模块具体为容量小于预置阈值的第一电容。

可选地，所述第一电容的两端还并联有第一电阻。

可选地，所述偏置电压提供模块具体包括第二电阻以及第三电阻，其中，所述次级绕组的第二端通过所述第二电阻连接到所述施密特触发器工作电源的输入端，通过所述第三电阻接地。

可选地，所述第二电阻与第三电阻的电阻值之间的比例，根据施密特触发器的正负向阈值之间的平均值与工作电压之间的比例确定。

可选地，所述第三电阻的两端还并联有第二电容。

可选地，所述耦合变压器由导磁体加导体线圈制成。

可选地，所述耦合变压器由制作在印刷线路板上的导线进行感应。

可选地，所述耦合变压器由集成电路芯片进行感应。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明实施例，在将待传输的数字电平信号输入到耦合变压器的初级绕组之前，首先转换成尖脉冲信号，在次级绕组侧，使用施密特触发器对信号进行还原，并且可以为耦合过来的脉冲信号提供正向偏置电压，在无脉冲信号的状态下，为施密特触发器提供信号保持电压，使得施密特触发器的输出保持在上一个状态。这样，无论是输入端的数字电平信号是否包含直流分量、无论直流分量是多还是少，都可以实现准确的隔离传输。并且，电路实现简单，功耗和成本都比较低，还能传输任意编码的数字信号，传输速率可以在处于零至百兆的较宽范围。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的数字信号隔离传输装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的数字信号隔离传输装置中各点的波形示意图；

图3是本发明实施例提供的另一数字信号隔离传输装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，提供了一种新型的数字信号隔离传输装置，在该装置中，在将待传输的数字电平信号输入到耦合变压器的初级绕组之前，首先转换成尖脉冲信号，在次级绕组侧，使用施密特触发器对信号进行还原。下面对具体的实现方式进行详细地介绍。

参见图1，本发明实施例提供了一种数字信号隔离传输装置，该装置可以包括信号转换模块101、耦合变压器102、施密特触发器103以及偏置电压提供模块104；

耦合变压器102包括初级绕组以及次级绕组，初级绕组的第一端与信号转换模块101的信号输出端连接，第二端接地；

次级绕组的第一端与施密特触发器103的信号输入端连接，第二端通过偏置电压提供模块104接地。

其中，信号转换模块101将输入的待传输数字信号的上升沿转换为正向尖脉冲信号，下降沿转换为负向尖脉冲信号，并输入到耦合变压器102的初级绕组，以便初级绕组将脉冲信号耦合到次级绕组，并通过次级绕组输入到施密特触发器103；

在次级绕组中有脉冲信号产生时，偏置电压提供模块104为耦合过来的脉冲信号提供正向偏置电压，以使得耦合过来的正向尖脉冲信号将施密特触发器103的输出置高，耦合过来的负向尖脉冲信号将施密特触发器103的输出置低；

在次级绕组中没有脉冲信号产生时，偏置电压提供模块104为施密特触发器103的信号输入端提供信号保持电压，以使得施密特触发器103的输出保持在脉冲信号消失前的状态不变，其中，该信号保持电压在施密特触发器103的正向阈值电压与负向阈值电压之间。

也就是说，在本发明实施例中，在耦合变压器的初级绕组端，在具体传输数字信号之前，首先先将数字电平信号进行转换，使得其上升沿转换为正向尖脉冲信号，下降沿转换为负向尖脉冲信号。如图2所示，其示出了在图1所示的电路图中，信号在各个节点处的波形图。其中，①点的波形即为输入的数字电平信号的矩形波，②点的波形为经过信号转换模块转换之后得到的波形，可见，①点的波形中的上升沿全部被转换为正向尖脉冲，下降沿全部被转换为负向尖脉冲，在无上升沿或者下降沿的状态下，不会产生脉冲信号。其中，假设①点的波形用+1v的电压来代表高电平，0v电压代表低电平，则对于②点的波形，其正向尖脉冲的最大值为+1v，负向尖脉冲的最小值为-1v。

转换之后的信号会输入到耦合变压器102的初级绕组，然后会耦合到次级绕组，次级绕组会将耦合过来的信号输入到施密特触发器103，以便通过施密特触发器103进行还原得到原始数字电平信号。其中，施密特触发器的工作原理大致是：对输入信号电压的变化方向以及数值进行检测，如果发现正向变化的电压，并且达到正向电压阈值，则输出置高，如果发现负向变化的电压，并且达到负向电压阈值，则输出置低。例如，正向阈值电压为3v，负向阈值电压为2v，则在发现正向变化的电压，并且达到3v时，将输出置高，在发现负向变化的电压，并且降到2v时，则输出置低。也就是说，电压变化方向以及对应方向上的电压阈值两个方面都是施密特触发器的判断依据。其中，施密特触发器的正向阈值以及负向阈值一般均为正值，而②点的波形中，正向尖脉冲信号的电压，是从0v开始正向变化，正向的最大值也就是1v，此时，可能就算是最大值也不会使得施密特触发器103的输出置高；相应的，负向尖脉冲信号的电压，是从0v开始进行负向变化，负向的最低值为-1v，此时，也不会使得施密特触发器103的输出置低。为此，在本发明实施例中，次级绕组的第二端还连接有一个偏置电压提供模块104，该模块为③点的输出信号提供一个正向的偏移，例如正向偏移电压可以为2.5v。如图2中所示，③点处的波形与②点的波形在形状上是相同的，但是对应的电压数值会有所不同。比如，对于②点的波形，如果其正向脉冲的最大值为+1v，负向脉冲的最大值为-1v，无脉冲产生时，电压为0v，再假设偏置电压为+2.5v，则③点处的波形中，正向脉冲的最大值为+3.5v，负向脉冲的最大值为+1.5v，无脉冲产生时，电压为2.5v。将正向偏移后的信号输入到施密特触发器103中，就可以使得施密特触发器能够起到以下作用：耦合过来的正向尖脉冲信号将所述施密特触发器的输出置高，耦合过来的负向尖脉冲信号将所述施密特触发器的输出置低。由于正向尖脉冲的出现，代表着输入的数字电平信号中存在一个上升沿，相应的，对应传输的比特位应该是从“0”变成“1”，负向尖脉冲的出现，代表着输入的数字电平信号中存在一个下降沿，相应的，对应传输的比特位应该是从“1”变成“0”。而在本发明实施例中，施密特触发器可以在接收到一个正向尖脉冲并达到正向阈值电压时，将输出置高，反之则置低，因此，恰好可以与发送端数字电平信号的实际情况相匹配，达到信号还原的目的。

通过以上所述可见，通过本发明实施例提供的方案，对于存在脉冲信号的情况下对信号的还原起到了很好的作用，同时，对于没有脉冲信号产生也即当输入信号中存在直流分量时，该方案也能进行有效的还原。需要说明的是，通过本发明实施例提供的信号转换模块，只有在输入电平信号存在上升沿或者下降沿的时候，才会产生脉冲信号，其他大部分时间都是没有脉冲信号产生的。在没有脉冲信号产生时，证明原始输入的数字信号在这段期间内是保持上一状态的不变的。也就是说，如果施密特触发器103在上述无脉冲信号产生的时候，能够保持上一个状态（也即脉冲信号消息前的状态）不变，则可以正确的还原输入信号中的直流分量部分。

图1所示的电路中能够达到上述目的，这是因为，在耦合变压器102的次级绕组的第二端还连接有一个偏置电压提供模块，该模块除了可以在有脉冲信号产生的情况下，为耦合过来的脉冲信号提供一个正向偏移之外，还可以在没有脉冲信号产生的情况下，为施密特触发器103的信号输入端提供一个电压相对稳定的输入信号，由于耦合变压器102本身的阻抗比较小，因此该输入信号的电压（也即图1中③点的电压）与⑤点的输出电压是近似相等的，并且与为脉冲信号提供的偏置电压相等。因此，在无脉冲信号产生的状态下，③点输入到施密特变压器的电压会小于正向脉冲存在时的电压，大于负向脉冲存在时的电压，并且，该无脉冲信号产生时的电压在施密特触发器的正向阈值电压与负向阈值电压之间，这样，可以使得施密特触发器的④点输出保持在脉冲信号消息前的状态不变，为此，在本发明实施例中，将该电压称为“信号保持电压”。

也就是说，通过本发明实施例提供的数字信号隔离传输装置，无论是输入端的数字电平信号是否包含直流分量、无论直流分量是多还是少，都可以实现准确的隔离传输。如图2中的④点可见，其与①点的输入信号的波形是相同的。并且，对数字信号的编码方式没有限制，传输速率可以在处于零至百兆的较宽范围，适应性强，并且电路简单，功耗和成本都比较低。

具体实现时，信号转换模块101的具体实现方式可以有多种，例如可以设计一个专门的电路，用于将输入的电平信息进行转换，并使得上升沿被转换为正向尖脉冲，下降沿转换为负向尖脉冲，其中，尖脉冲越尖锐，效果会越好。或者，在另一种实现方式下，信号转换模块101也可以直接由一个小容量的电容来实现。参见图3（其中，T1为耦合传感器，U1为施密特触发器），具体的，电容C1就可以作为信号转换模块来存在，只不过为了使得上升沿被转换为正向尖脉冲，下降沿转换为负向尖脉冲，该电容C1的容量不能太大。当然，在具体实现时，由于电容C1与耦合传感器中的电感之间可能会产生振荡，这种振荡可能会被耦合到次级绕组中，对施密特触发器造成误触发，最终导致信号传输的失真。为此，在优选的实施例中，还可以在电容C1的两端并联一个电阻R1，这样可以避免电容C1与耦合变压器的电阻之间产生振荡，改善信号传输质量。

对于偏置电压提供模块，具体实现方式也可以有多种，例如，可以采用专用的电源芯片来实现。或者，在一种优选的实现方式中，还可以直接利用施密特触发器的工作电源来获得。具体的，参见图3，耦合变压器次级绕组的第二端可以通过电阻R2连接到施密特触发器工作电源的输入端，通过电阻R3接地，这样，R2与R3形成了一个分压电路，使得⑤点获得一个电压，该电压就可以为耦合过来的脉冲信号提供正向偏移，使其能够触发施密特触发器输出信号的置高或置低，或者也可以在无脉冲信号产生时，为施密特触发器的信号输入端提供一个信号保持电压，使得施密特触发器输出信号保持在上一状态不变，并最终实现对信号的还原。其中，关于R2与R3的电阻值之间的比例，可以根据施密特触发器的正负向阈值之间的平均值与工作电压之间的比例来确定。例如，假设施密特触发器的正负向阈值之间的平均值与工作电压之间的比例为1：2，则R2与R3的电阻值可以是相等的，这样，⑤点的偏置电压等于施密特触发器工作电压的二分之一，而施密特触发器的正向阈值与负向阈值的平均值也等于其工作电压的二分之一，因此，该电压值对于施密特触发器的信号保持可以起到更好的效果。当然，如果施密特触发器的正负向阈值之间的平均值与工作电压之间的比例为2：5，则R2与R3的电阻值之间的比例也可以为2：5，等等，以此类推。

利用上述分压电路的方式来提供偏置电压，其好处至少有以下两方面：一方面，施密特触发器是一种有源器件，其工作电源是必不可少的，这样，就可以充分利用已有的电源，而不需要再另外提供单独的电源芯片，以此进一步降低电路的功耗；另一方面，由于施密特触发器的工作电源的电压可能并不能一直保持在某个电压值不变，而是会有一些波动，例如，正常情况下，工作电压可能是在5v，但是实际上该工作电压值可能是在4.5-5.5v之间波动，随着该电压值的波动，正向阈值以及负向阈值都可能随之发生变化，因此，如果将⑤点的偏置电压设定为某个固定值（例如2.5v），则一旦施密特触发器的工作电压发生波动，则也可能会对施密特触发器造成误触发。而在使用上述分压电路提供偏置电压的情况下，可以使得⑤点产生的偏置电压可以跟随工作电压的变化，这样可以避免上述误触发等现象。

另外，在实际应用中，为了进一步提高信号传输质量，还可以在R3的两端并联上一个电容C2，这样R3与C2之间可以形成一个滤波器，可以为⑤点提供更为稳定的电压，从而提高信号传输质量。

需要说明的是，在本发明实施例中，耦合变压器的具体实现方式可以有多种，例如，可以是由导磁体加导体线圈制成，或者，也可以由制作在印刷线路板上的导线进行感应，再或者，还可以由集成电路芯片进行感应，等等。另外，施密特触发器的具体电路结构也可以有多种，既可以用通用的数字集成电路来实现，也可以用分立器件构成，总之，只要符合施密特触发器的基本工作原理，都可以应用在本发明实施例提供的装置中，这里不进行限定，也不再对施密特触发器的具体结构进行详细介绍。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上对本发明所提供的数字电路隔离传输装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种数字信号隔离传输装置，其特征在于，包括信号转换模块、耦合变压器、施密特触发器以及偏置电压提供模块；

所述耦合变压器包括初级绕组以及次级绕组，所述初级绕组的第一端与所述信号转换模块的信号输出端连接，第二端接地；

所述次级绕组的第一端与所述施密特触发器的信号输入端连接，第二端通过所述偏置电压提供模块接地；

其中，所述信号转换模块将输入的待传输数字信号的上升沿转换为正向尖脉冲信号，下降沿转换为负向尖脉冲信号，并输入到所述耦合变压器的初级绕组，以便初级绕组将脉冲信号耦合到次级绕组，并通过次级绕组输入到所述施密特触发器；

在次级绕组中有脉冲信号产生时，所述偏置电压提供模块为耦合过来的脉冲信号提供正向偏置电压，以使得耦合过来的正向尖脉冲信号将所述施密特触发器的输出置高，耦合过来的负向尖脉冲信号将所述施密特触发器的输出置低；

在次级绕组中没有脉冲信号产生时，所述偏置电压提供模块为所述施密特触发器的信号输入端提供信号保持电压，以使得施密特触发器的输出保持在脉冲信号消失前的状态不变，其中，所述信号保持电压在施密特触发器的正向阈值电压与负向阈值电压之间。

2.根据权利要求1所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述信号转换模块具体为容量小于预置阈值的第一电容。

3.根据权利要求2所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述第一电容的两端还并联有第一电阻。

4.根据权利要求1至3任一项所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述偏置电压提供模块具体包括第二电阻以及第三电阻，其中，所述次级绕组的第二端通过所述第二电阻连接到所述施密特触发器工作电源的输入端，通过所述第三电阻接地。

5.根据权利要求4所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述第二电阻与第三电阻的电阻值之间的比例，根据施密特触发器的正负向阈值之间的平均值与工作电压之间的比例确定。

6.根据权利要求4所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述第三电阻的两端还并联有第二电容。

7.根据权利要求1至3任一项所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述耦合变压器由导磁体加导体线圈制成。

8.根据权利要求1至3任一项所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述耦合变压器由制作在印刷线路板上的导线进行感应。

9.根据权利要求1至3任一项所述的数字信号隔离传输装置，其特征在于，所述耦合变压器由集成电路芯片进行感应。