CN104811183A - 一种电气信号采样隔离电路 - Google Patents

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Abstract

一种电气信号采样隔离电路，该电路包括方波发生电路、输入信号放大反向电路、模拟多路选择开关、信号反馈补偿电路和采样输出电路。方波信号经过由Q1和R11组成的放大电路后，经过C3输入到变压器T2的1号绕组W21。方波信号经过T2进行隔离。二极管D1对变压器T2的2号绕组W22进行检波，R12为下拉电阻。经过转换的信号用来对采样开关S1进行逻辑控制，高电平S1闭合，低电平S1断开。使得采样隔离电路输出的信号Vout与原输入信号Vin隔离并保持一致。该采样隔离电路能够实现采样输入输出隔离，具有结构原理简单、精度高、隔离效果好的特点。

Description

一种电气信号采样隔离电路
技术领域
本发明涉及一种采样隔离电路，特别是关于一种电气设备中电气信号采样隔离电路。
背景技术
目前的隔离方法两大类，一种是模拟量直接隔离，另一种是将模拟量转为数字量进行数字隔离。模拟量直接隔离包括磁隔离和光电隔离。磁隔离通常采用信号调质，调质后的信号经过变压器隔离，隔离之后的信号再经过解调，得到模拟量输出。这种隔离方法经过了调制与解调，电路复杂，成本高。光电隔离的隔离精度取决于光耦器件，一般适用于单极性信号隔离，双极性信号要求隔离电路比较复杂。光隔离一般采用线性光耦器件，电流传输增益低，隔离后输出阻抗大，抗电磁干扰能力弱，不适于灵敏度要求较高的隔离应用，同时存在温漂问题。数字隔离要求经过信号模拟/数字转换后再进行隔离，结构复杂，成本高，只有在很高精度的检测中应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种采样隔离电路。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种电气信号采样隔离电路，该电路包括方波发生电路1、输入信号放大反向电路2、模拟多路选择开关3、信号反馈补偿电路4和采样输出电路5。
方波发生电路1包括三个数字反相器U1、U2、U3，电阻R1和电容C1；其中数字反相器U1、U2、U3相串联，电阻R1设置在数字反相器U2、U3之间；电容C1并联在数字反相器U2、电阻R1之间；输出信号振荡频率由R1和C1确定。
输入信号放大反向电路2包括一个跟随器21和一个反向电路22。跟随器21用于提高输入阻抗，对输入信号进行功率放大。跟随器21中运算放大器OP1正输入端接输入电压信号Vin正极，OP1负输入端与其输出端连接。OP1输出端与反向电路22中的R2相连。反向电路22用于产生一个与输入信号反向的信号，包括一个运算放大器OP2和电阻R2、R3。R2一端接OP1输出端，另一端接OP2负输入端。OP2正输入端接地GNDA。R3并联在OP2负输入端与OP2输出端之间。
模拟多路选择开关3由方波信号控制选通，电路2中的两路方向相反的信号输入到模拟多路选择开关3的输入端。方波信号为高，选通实际输入信号，方波信号为低时，选通反向之后的信号，最终将该信号输出到信号反馈补偿电路4。模拟多路选择开关3的一种实施例是CD4051。
信号反馈补偿电路4实现输入信号的隔离与准确输出。变压器T1实现信号隔离。T1的1号绕组W11的驱动电路由电阻R4、运算放大器OP4、电容C2和电阻R8组成。电阻R4一端连接模拟多路选择开关3的输出端，另一端连接运算放大器OP4的正输入端，OP4的正输入端与输出端连接。OP4输出端连接电容C2。电容C2、1号绕组W11、电阻R8串联，R8另一端接地GNDA。T1的2号绕组W12上输出隔离后信号，经过跟随器OP5放大后输出到采样输出电路5。T1的3号绕组W13与R5、R6、R7和运算放大器OP3组成电路对W12上的输出信号进行反馈补偿。电阻R9与W13并联。
采样输出电路5有两路输入信号，一路信号来自方波发生电路1，对此信号隔离后进行采样开关的逻辑控制；另一路信号来自信号反馈补偿电路4，对该信号进行选通并放大最终作为采样隔离电路的输出。
采样输出电路5中三极管Q1与方波发生电路1的U3输出端连接，输入方波信号，Q1的集电极与电阻R11串联，R11另一端接电源VCC。电容C3与变压器T2的1号绕组W21串联，并接在Q1的集电极与发射极之间。Q1发射极接地GNDA。变压器T2的2号绕组W22与二极管D1串联后与电阻R12并联，R12一端接地GNDB，一端接驱动器U4。驱动器U4另一端用于控制开关S1。S1一端接OP5输出端，另一端接运算放大器OP6的正输入端。OP6正输入端通过电容C4接地GNDB，负输入端与输出端连接。OP6输出端与地GNDB之间输出的极最终采样隔离后的电压信号Vout。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明具有电路结构简单、隔离效果好的优点；
2、本发明采用同一路方波信号进行输入信号逻辑控制和输出信号的采样控制，实现信号采样的同步准确；
3、本发明的信号反馈补偿电路具有较高的线性度和精度。
4、本发明电路适用于单极性和双极性信号采样隔离，应用范围广，选用普通的电子元件即可实现，成本很低。
附图说明
图1是本发明的采样隔离电路结构示意图；
图中：1、方波发生电路，2、输入信号放大反向电路，3、模拟多路选择开关，4、信号反馈补偿电路，5采样输出电路，21、跟随器21，22、反向电路。
具体实施方式
本发明提出一种采样隔离电路，能够适用各种电气设备中需要采样的场合。
一种采样隔离电路，具体包括方波发生电路、输入信号放大反向电路、模拟多路选择开关、信号反馈补偿电路、采样输出电路。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，一种电气信号采样隔离电路，该电路包括方波发生电路1、输入信号放大反向电路2、模拟多路选择开关3、信号反馈补偿电路4和采样输出电路5。
方波发生电路1包括三个数字反相器U1、U2、U3，电阻R1和电容C1；其中数字反相器U1、U2、U3相串联，电阻R1设置在数字反相器U2、U3之间；电容C1并联在数字反相器U2、电阻R1之间；输出信号振荡频率由R1和C1确定。
输入信号放大反向电路2包括一个跟随器21和一个反向电路22。跟随器21用于提高输入阻抗，对输入信号进行功率放大。跟随器21中运算放大器OP1正输入端接输入电压信号Vin正极，OP1负输入端与其输出端连接。OP1输出端与反向电路22中的R2相连。反向电路22用于产生一个与输入信号反向的信号，包括一个运算放大器OP2和电阻R2、R3。R2一端接OP1输出端，另一端接OP2负输入端。OP2正输入端接地GNDA。R3并联在OP2负输入端与OP2输出端之间。
模拟多路选择开关3由方波信号控制选通，电路2中的两路方向相反的信号输入到模拟多路选择开关3的输入端。方波信号为高，选通实际输入信号，方波信号为低时，选通反向之后的信号，最终将该信号输出到信号反馈补偿电路4。模拟多路选择开关3的一种实施例是CD4051。
信号反馈补偿电路4实现输入信号的隔离与准确输出。变压器T1实现信号隔离。T1的1号绕组W11的驱动电路由电阻R4、运算放大器OP4、电容C2和电阻R8组成。电阻R4一端连接模拟多路选择开关3的输出端，另一端连接运算放大器OP4的正输入端，OP4的正输入端与输出端连接。OP4输出端连接电容C2。电容C2、1号绕组W11、电阻R8串联，R8另一端接地GNDA。T1的2号绕组W12上输出隔离后信号，经过跟随器OP5放大后输出到采样输出电路5。T1的3号绕组W13与R5、R6、R7和运算放大器OP3组成电路对W12上的输出信号进行反馈补偿。电阻R9与W13并联。
采样输出电路5有两路输入信号，一路信号来自方波发生电路1，对此信号隔离后进行采样开关的逻辑控制；另一路信号来自信号反馈补偿电路4，对该信号进行选通并放大最终作为采样隔离电路的输出。
采样输出电路5中三极管Q1与方波发生电路1的U3输出端连接，输入方波信号，Q1的集电极与电阻R11串联，R11另一端接电源VCC。电容C3与变压器T2的1号绕组W21串联，并接在Q1的集电极与发射极之间。Q1发射极接地GNDA。变压器T2的2号绕组W22与二极管D1串联后与电阻R12并联，R12一端接地GNDB，一端接驱动器U4。驱动器U4另一端用于控制开关S1。S1一端接OP5输出端，另一端接运算放大器OP6的正输入端。OP6正输入端通过电容C4接地GNDB，负输入端与输出端连接。OP6输出端与地GNDB之间输出的极最终采样隔离后的电压信号Vout。
方波信号经过由Q1和R11组成的放大电路后，经过C3输入到变压器T2的1号绕组W21。方波信号经过T2进行隔离。二极管D1对变压器T2的2号绕组W22进行检波，R12为下拉电阻。U4为驱动器，对方波信号进行TTL转换。经过转换的信号用来对采样开关S1进行逻辑控制，高电平S1闭合，低电平S1断开。S1输入端信号来自反馈补偿电路4，方波信号为高时，S1的输入信号方向与实际采样信号方向一致，输出到由运算放大器OP6组成的跟随器进行功率放大，最终作为采样隔离电路输出Vout。方波信号为低时，S1的输入信号是与实际采样信号反向的信号，S1断开，采样保持电容C4保持原来的输入信号电压，并经过OP6的放大最终输出。这样使得采样隔离电路输出的信号Vout与原输入信号Vin隔离并保持一致。
上述实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种电气信号采样隔离电路，其特征在于：该电路包括方波发生电路(1)、输入信号放大反向电路(2)、模拟多路选择开关(3)、信号反馈补偿电路(4)和采样输出电路(5)；
方波发生电路(1)包括三个数字反相器U1、U2、U3，电阻R1和电容C1；其中数字反相器U1、U2、U3相串联，电阻R1设置在数字反相器U2、U3之间；电容C1并联在数字反相器U2、电阻R1之间；输出信号振荡频率由R1和C1确定；
输入信号放大反向电路(2)包括一个跟随器(21)和一个反向电路(22)；跟随器21用于提高输入阻抗，对输入信号进行功率放大；跟随器(21)中运算放大器OP1正输入端接输入电压信号Vin正极，OP1负输入端与其输出端连接；OP1输出端与反向电路(22)中的R2相连；反向电路(22)用于产生一个与输入信号反向的信号，包括一个运算放大器OP2和电阻R2、R3；R2一端接OP1输出端，另一端接OP2负输入端；OP2正输入端接地GNDA；R3并联在OP2负输入端与OP2输出端之间；
模拟多路选择开关(3)由方波信号控制选通，输入信号放大反向电路(2)中的两路方向相反的信号输入到模拟多路选择开关(3)的输入端；方波信号为高，选通实际输入信号，方波信号为低时，选通反向之后的信号，最终将该信号输出到信号反馈补偿电路(4)；模拟多路选择开关(3)的一种实施例是CD4051；
信号反馈补偿电路(4)实现输入信号的隔离与准确输出；变压器T1实现信号隔离；T1的1号绕组W11的驱动电路由电阻R4、运算放大器OP4、电容C2和电阻R8组成；电阻R4一端连接模拟多路选择开关(3)的输出端，另一端连接运算放大器OP4的正输入端，OP4的正输入端与输出端连接；OP4输出端连接电容C2；电容C2、1号绕组W11、电阻R8串联，R8另一端接地GNDA；T1的2号绕组W12上输出隔离后信号，经过跟随器OP5放大后输出到采样输出电路(5)；T1的3号绕组W13与R5、R6、R7和运算放大器OP3组成电路对W12上的输出信号进行反馈补偿；电阻R9与W13并联；
采样输出电路(5)有两路输入信号，一路信号来自方波发生电路(1)，对此信号隔离后进行采样开关的逻辑控制；另一路信号来自信号反馈补偿电路(4)，对该信号进行选通并放大最终作为采样隔离电路的输出；
采样输出电路(5)中三极管Q1与方波发生电路1的U3输出端连接，输入方波信号，Q1的集电极与电阻R11串联，R11另一端接电源VCC；电容C3与变压器T2的1号绕组W21串联，并接在Q1的集电极与发射极之间；Q1发射极接地GNDA；变压器T2的2号绕组W22与二极管D1串联后与电阻R12并联，R12一端接地GNDB，一端接驱动器U4；驱动器U4另一端用于控制开关S1；S1一端接OP5输出端，另一端接运算放大器OP6的正输入端；OP6正输入端通过电容C4接地GNDB，负输入端与输出端连接；OP6输出端与地GNDB之间输出的极最终采样隔离后的电压信号Vout。
2.根据权利要求1所述的一种电气信号采样隔离电路，其特征在于：方波信号经过由Q1和R11组成的放大电路后，经过C3输入到变压器T2的1号绕组W21；方波信号经过T2进行隔离；二极管D1对变压器T2的2号绕组W22进行检波，R12为下拉电阻；U4为驱动器，对方波信号进行TTL转换；经过转换的信号用来对采样开关S1进行逻辑控制，高电平S1闭合，低电平S1断开；S1输入端信号来自反馈补偿电路(4)，方波信号为高时，S1的输入信号方向与实际采样信号方向一致，输出到由运算放大器OP6组成的跟随器进行功率放大，最终作为采样隔离电路输出Vout；方波信号为低时，S1的输入信号是与实际采样信号反向的信号，S1断开，采样保持电容C4保持原来的输入信号电压，并经过OP6的放大最终输出；使得采样隔离电路输出的信号Vout与原输入信号Vin隔离并保持一致。
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