CN110048706A - 一种模拟信号隔离转换电路 - Google Patents
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Abstract
一种模拟信号隔离转换电路，包含：前级转换调制电路、后级转换解调电路和分别连接前级转换调制电路输出端和后级转换解调电路输入端的隔离电容组；前级转换调制电路将模拟信号转换成PWM信号并对PWM信号进行占空比调制；隔离电容组实现信号隔离传输；后级转换解调电路将占空比调制信号解调成为PWM信号。本发明通过前后级电路调制解调的方式实现信号的模拟信号的转换与隔离，前级转换调制电路将模拟信号转换成PWM信号并对PWM信号进行占空比调制，后级转换解调电路通过检测电路实现占空比调制信号的还原后，再通过占空比解调技术将占空比调制信号解调成为PWM信号。电容器作为隔离器件，稳定、低成本、低功耗、便于集成，具有非常好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路信号处理领域，尤其涉及一种模拟信号隔离转换电路。
背景技术
在不同电压域的电子系统中经常需要对信号进行隔离，以确保系统的可靠性和安全性等指标。常用的数字信号隔离通过变压器、光电耦合器、霍尔器件等器件实现，而模拟信号的隔离转换却十分困难，通常需要将模拟信号转换成数字信号，再通过数字隔离器件进行信号隔离传输，此种方法需要多个隔离器件才能实现模拟信号隔隔离转换功能。考虑到成本、可靠性、器件尺寸等因素，光电耦合器是目前最普及的信号隔离器件，其通过光传输的方式实现了两个电压域间的电气隔离。但是由于光耦的温度特性差、功耗大和老化周期短、不易于半导体工艺集成等特点，导致光电耦合器面临很多应用瓶颈。
发明内容
本发明提供一种模拟信号隔离转换电路，通过特殊的占空比调制解调进行信号传输，并用电容器作为信号隔离器件，从而实现了模拟信号向PWM信号的转换，同时实现了信号隔离传输。
为了达到上述目的，本发明提供一种模拟信号隔离转换电路，包含：前级转换调制电路、后级转换解调电路和分别连接前级转换调制电路输出端和后级转换解调电路输入端的隔离电容组；
所述的前级转换调制电路将模拟信号转换成PWM信号并对PWM信号进行调制；
所述的隔离电容组实现信号隔离传输；
所述的后级转换解调电路将占空比调制信号解调成为PWM信号。
所述的前级转换调制电路包含电压转PWM电路和调制电路，调制电路的输入端连接电压转PWM电路的输出端，电压转PWM电路将输入的模拟信号VIN转换成PWM信号PWM_IN，调制电路对PWM信号进行占空比调制，输出固定频率调制信号。
调制电路将PWM信号的高电平转换成第一占空比的时钟周期，将PWM信号的低电平转换成第二占空比的时钟周期。
第一占空比为75％且第二占空比为25％；或者第一占空比为25％且第二占空比为75％。
所述的电压转PWM电路包含：
积分滤波器，其正输入端输入模拟信号VIN，其负输入端输入高频脉宽调制信号PWM1，其输出端输出电压信号VINTEG；
双路时钟信号产生电路，其输入端输入电压信号VINTEG，其输出端输出第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1；
算法电路，其输入端输入第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1，其输出端输出高频脉宽调制信号PWM1和调频脉宽调制信号PWM_IN，高频脉宽调制信号PWM1和调频脉宽调制信号PWM_IN的平均占空比与第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1存在算法关系。
所述的调制电路包含：
信号调制电路，其输入端输入PWM_IN信号和基准时钟信号CK0，其输出端输出调制信号SIGX，信号调制电路用于对PWM_IN信号进行占空比调制，将PWM_IN的高电平转换成具有第一占空比周期的调制信号SIGX，将PWM_IN的低电平转换成具有第二占空比周期的调制信号SIGX；
毛刺过滤电路，其输入端输入调制信号SIGX，其输出端输出第一固定频率调制信号SIG_MODU和第二固定频率调制信号SIG_MODU2，第二固定频率调制信号SIG_MODU2为第一固定频率调制信号SIG_MODU的取反，毛刺过滤电路用于过滤信号毛刺。
所述的PWM_IN信号的高电平时间是基准时钟信号CK0周期的整数倍，所述的PWM_IN信号的低电平时间是基准时钟信号CK0周期的整数倍。
所述的信号调制电路包含：分频触发器、与门、反相器、4输入的与或门、以及或门，基准时钟信号CK0经过分频触发器后产生分频时钟信号CK1，基准时钟信号CK0和分频时钟信号CK1输入到与门后输出信号CK_AND，基准时钟信号CK0和分频时钟信号CK1输入到或门后输出信号CK_OR，输入信号PWM_IN输入到反相器后输出信号PWM_INB，信号CK_AND、信号CK_OR、信号PWM_IN和信号PWM_INB共同输入到4输入的与或门504，其中信号CK_AND与信号PWM_INB相与，信号CK_OR与信号PWM_IN相与，两者的结果相或，得到过渡的调制信号SIGX输入毛刺过滤电路506。
所述的毛刺过滤电路包含：迟延电路、异或门、以及毛刺过滤触发器，基准时钟信号CK0经过迟延电路后与基准时钟信号CK0共同输入到异或门，异或门输出触发信号TRIG，触发信号TRIG连接到毛刺过滤触发器的时钟信号端，调制信号SIGX输入到毛刺过滤触发器的数据端，触发信号TRIG的下降沿采样调制信号SIGX的状态，实现对毛刺的过滤。
所述的后级转换解调电路包含检测电路和解调电路，解调电路的输入端连接检测电路的输出端，检测电路将电容耦合信号SIG_MODUB转换为电压信号SIG_MODUC，解调电路将电压信号SIG_MODUC解调为PWM信号。
所述的隔离电容组包含第一隔离电容，其将调制后的第一固定频率信号SIG_MODU耦合后输入到检测电路。
所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第一电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第二电阻，其一端连接迟滞比较器的正输入级，另一端接地；
第三电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的负输入级；
第四电阻，其一端连接迟滞比较器的负输入级，另一端接地。
所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第五电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第六电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的负输入级。
所述的隔离电容组包含第一隔离电容和第二隔离电容，所述的第一隔离电容将调制后的第一固定频率信号SIG_MODU耦合后输入到检测电路，所述的第二隔离电容将调制后的第二固定频率信号SIG_MODU2耦合后输入到检测电路。
所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其负输入级连接第二隔离电容，负输入级输入第二电容耦合信号SIG_MODU2B，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第一电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第二电阻，其一端连接迟滞比较器的正输入级，另一端接地；
第三电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的负输入级；
第四电阻，其一端连接迟滞比较器的负输入级，另一端接地。
所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其负输入级连接第二隔离电容，负输入级输入第二电容耦合信号SIG_MODU2B，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第五电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第六电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的负输入级。
所述的解调电路包含：
高电平时间转电压电路，其输入端输入延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端输出高电平时间转换电压信号VH；
低电平时间转电压电路，其输入端输入延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端输出低电平时间转换电压信号VL；
解调触发电路，其输入端输入高电平时间转换电压信号VH和低电平时间转换电压信号VL，其输出端输出解调信号PWM_OUT。
所述的高电平时间转电压电路包含：
电流源晶体管，其源极接电源，栅极接偏置电压IBIAS，漏极连接开关晶体管的源极；
开关晶体管，其源极连接电流源晶体管的漏极，栅极连接反相器的输出端，漏极接高电平时间转换电压信号VH；
泄放晶体管，其源极连接高电平时间转换电压信号VH，栅极接泄放信号DISC，漏极接地；
电容，其一端连接高电平时间转换电压信号VH，另一端接地；
反相器，其输入端连接延迟电路输出的延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端连接开关晶体管的栅极。
所述的低电平时间转电压电路包含：
电流源晶体管，其源极接电源，栅极接偏置电压IBIAS，漏极连接开关晶体管的源极；
开关晶体管，其源极连接电流源晶体管的漏极，栅极连接延迟电路输出的延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，漏极接低电平时间转换电压信号VL；
泄放晶体管，其源极连接低电平时间转换电压信号VL，栅极接泄放信号DISC，漏极接地；
电容，其一端连接低电平时间转换电压信号VL，另一端接地。
所述的解调触发电路包含：
比较器，其正输入端连接高电平时间转电压电路输出的高电平时间转换电压信号VH，其负输入端连接低电平时间转电压电路输出的低电平时间转换电压信号VL，其输出端输出比较信号DAT给触发器；当VH>VL，比较信号DAT为高电平，当VH<VL，比较信号DAT为低电平；
触发器，其数据输入端D连接比较器的输出端，其触发时钟端C连接电压信号SIG_MODUC，其输出端Q输出解调信号PWM_OUT。
本发明通过前后级电路调制解调的方式实现信号的模拟信号的转换与隔离，前级转换调制电路将模拟信号转换成PWM信号并对PWM信号进行占空比调制，后级转换解调电路通过检测电路实现占空比调制信号的还原后，再通过占空比解调技术将占空比调制信号解调成为PWM信号。使用电容器作为隔离器件，电容器稳定、低成本、低功耗、便于集成的特点使得本发明具有非常好的实用性。
附图说明
图1是本发明提供的一种模拟信号隔离转换电路的电路图。
图2是本发明的电压转PWM电路的输入输出特性曲线。
图3是本发明的调制电路的调制波形图。
图4是本发明提供的另一种模拟信号隔离转换电路的电路图。
图5是本发明的电压转PWM电路的典型电路。
图6是电压转PWM电路中的积分滤波器的典型电路。
图7是电压转PWM电路中的双路时钟信号产生电路的典型电路。
图8是电压转PWM电路中的算法电路的典型电路。
图9是本发明的调制电路的典型电路。
图10是图9的工作波形图。
图11是本发明的检测电路的第一实施例的电路图。
图12是图11的工作波形图。
图13是本发明的检测电路的第二实施例的电路图。
图14是本发明的检测电路的第三实施例的电路图。
图15是本发明的检测电路的第四实施例的电路图。
图16是本发明的解调电路的典型电路。
图17是图16的解调波形图。
图18是图16的工作波形图。
图19是模拟信号隔离转换电路的工作波形图。
具体实施方式
以下根据图1～图19，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种模拟信号隔离转换电路，包含：前级转换调制电路101、后级转换解调电路102和分别连接前级转换调制电路101输出端和后级转换解调电路102输入端的第一隔离电容103。
所述的前级转换调制电路101包含电压转PWM电路107和调制电路104，调制电路104的输入端连接电压转PWM电路107的输出端，电压转PWM电路107将输入的模拟信号VIN转换成PWM信号PWM_IN，调制电路104对PWM信号进行占空比调制，输出周期信号SIG_MODU。或者，调制电路对PWM信号进行频率调制，调制电路将PWM信号的高电平转换成第一频率时钟信号，将PWM信号的低电平转换成第二频率时钟信号，所述的第一频率时钟信号或者第二频率时钟信号的频率为0。
具体地，电压转PWM电路107实现了模拟信号VIN向PWM_IN信号的线性转换，输出的PWM_IN信号是一个平均频率固定的周期信号，在特定的电压范围内，PWM_IN信号的占空比与输入的模拟信号VIN呈线性关系，比如设PWM_IN信号的占空比为Duty，则Duty＝VIN/VREF，或者Duty＝1-VIN/VREF，其中，VREF为参考电压值，可根据电路需要而设定。如图2所示，在前级转换调制电路101的输入电压逐渐增加的过程中，PWM信号的占空比逐渐增加，显示PWM的占空比与输入电压VIN呈线性关系。
调制电路104实现了将输入的PWM信号PWM_IN转换成相对于PWM_IN信号频率更高的固定频率调制信号SIG_MODU，并且将PWM_IN信号的高电平转换成第一特定占空比的时钟周期(本实施例中以75％为例)，将PWM_IN信号的低电平转换成第二特定占空比的时钟周期(本实施例中以25％为例)。调制电路104通过将PWM_IN信号的高电平和低电平通过不同占空比的信号周期进行表征，而在后续电路中又通过对不同占空比的识别还原成为高电平或者低电平。
如图3所示，不同的输入信号经过调制电路104后产生固定频率调制信号，本实施例中以75％占空比的周期作为高电平的表征，25％占空比的周期作为低电平的表征。当输入信号PWM_IN为100％高电平信号时，固定频率调制信号SIG_MODU的输入频率固定且占空比恒定为75％的时钟周期。当输入信号PWM_IN为脉冲信号时，PWM_IN的高电平区域所对应的固定频率调制信号SIG_MODU被调制成占空比为75％的时钟周期，PWM_IN的低电平区域所对应的固定频率调制信号SIG_MODU被调制成占空比为25％的时钟周期，为了使输入信号PWM_IN得到完美的调制，需要PWM_IN的高电平时间和低电平时间为固定频率调制信号SIG_MODU时钟周期的整数倍。当输入信号PWM_IN为100％低电平信号时，固定频率调制信号SIG_MODU输出频率固定且占空比恒定为25％的时钟周期。
所述的第一隔离电容103用于实现信号隔离，其将调制后的固定频率信号SIG_MODU耦合后成为SIG_MODUB信号输入到后级转换解调电路102。
所述的后级转换解调电路102包含检测电路106和解调电路105，解调电路105的输入端连接检测电路106的输出端，检测电路106将电容耦合信号SIG_MODUB转换为电压信号SIG_MODUC，解调电路105将电压信号SIG_MODUC解调为PWM信号。
具体地，检测电路106将电容耦合过来的信号SIG_MODUB转换成电压信号SIG_MODUC，SIG_MODUC信号的频率和占空比等时序信息与调制电路104输出的SIG_MODU信号相同。检测电路106将SIG_MODUC信号输入到解调电路105，解调电路105对调制信号解调还原后输出解调信号PWM_OUT，PWM_OUT信号的平均周期和占空比与PWM_IN信号相同。
如图4所示，在本发明的另一个实施例中，调制电路104可以输出第一固定频率调制信号SIG_MODU和第二固定频率调制信号SIG_MODU2，逻辑上SIG_MODU2信号为SIG_MODU信号的取反，第一固定频率调制信号SIG_MODU和第二固定频率调制信号SIG_MODU2是互补信号，相应地，在图1实施例的基础上增加一个第二隔离电容108，第一隔离电容103将调制后的第一固定频率调制信号SIG_MODU耦合后成为第一电容耦合信号SIG_MODUB输入到后级转换解调电路102，第二隔离电容108将调制后的第二固定频率调制信号SIG_MODU2耦合后成为第二电容耦合信号SIG_MODUB2输入到后级转换解调电路102。在前级转换调制电路101输出端和后级转换解调电路102之间通过两个隔离电容来实现信号的隔离传输，因为检测电路106是监测正负输入端的电压差，差分方式可以增加这个电压差，更容易识别信号，双路隔离电容方案有助于信号检测的稳定性和安全性。
如图5所示，所述的电压转PWM电路107包含：
积分滤波器101’，其正输入端输入模拟信号VIN，其负输入端输入高频脉宽调制信号PWM1，其输出端输出电压信号VINTEG；
双路时钟信号产生电路102’，其输入端输入电压信号VINTEG，其输出端输出第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1；
算法电路103’，其输入端输入第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1，其输出端输出高频脉宽调制信号PWM1和调频脉宽调制信号PWM_IN。
输入电压信号VIN连接到积分滤波器101’的正输入端，积分器电路输出的电压信号VINTEG控制双路时钟信号产生电路102’产生两路时钟信号，即第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1，两路时钟信号通过算法电路103’后产生两路脉宽调制信号，即高频脉宽调制信号PWM1和调频脉宽调制信号PWM_IN，高频脉宽调制信号PWM1接入到积分器的负输入信号端，实现整个电路的负反馈闭环控制。脉宽调制信号(PWM)的平均占空比与两路时钟信号存在算法关系，可以在保持算法关系的情况下，根据应用需要实现脉宽调制信号(PWM)频率的放大。
如图6所示，所述的积分滤波器101’包含：运算放大器202’，串联在运算放大器202’负输入端的第一电阻204’和第二电阻206’，串联在运算放大器202’负输入端和输出端之间的第一积分电容203’，以及一端连接第一电阻204’和第二电阻206’，另一端接地的第二积分电容205’，积分滤波器中的电阻电容串实现了低通滤波器的功能，为了优化滤波的效果可以在输入端插入更多的电阻电容串(如第一电阻和第一积分电容的连接方式)。所述的积分滤波器的功能为：第一输入信号为一路电压信号，第二输入信号为PWM信号，输出信号为电压信号，在系统正常工作时，第二输入信号PWM信号的平均电压等于第一输入信号的电压值。
运算放大器202’的正输入端输入外部输入电压信号VIN，其负输入端输入反馈信号VFB，即高频脉宽调制信号PWM1，其输出端输出电压信号VINTEG。
如图7所示，所述的双路时钟信号产生电路102’包含：
固定频率振荡器302’，其输出固定频率的第二时钟信号CLK1；
压控振荡器303’，其输入端输入电压信号VINTEG，在电压信号VINTEG的控制下压控振荡器303’自适应调节输出具有合适频率的第一时钟信号CLK0。
如图8所示，所述的算法电路103’包含：
调频脉宽调制算法模块402’，其输入端输入第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1，其输出端输出调频脉宽调制信号PWM_IN作为整个电压转脉宽调制信号电路的输出信号，以供后级电路使用；
高频脉宽调制算法模块403’，其输入端输入第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1，其输出端输出高频脉宽调制信号PWM1给积分滤波器101的负输入端，用于系统的反馈控制。
高频脉宽调制信号PWM1的平均占空比等于调频脉宽调制信号PWM_IN的平均占空比。
高频脉宽调制信号PWM1的平均占空比与第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1的周期存在固定的算法关系：
DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝k×T0/T1；
或者，DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝1-k×T0/T1；
或者，DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝(1-k×T0/T1)×2；
其中，DUTY是平均占空比，T0是第一时钟信号CLK0的周期，T1是第二时钟信号CLK1的周期，k＝1/2n，变量n为整数。
积分滤波器101’使得高频脉宽调制信号PWM1的平均电压等于外部输入电压：
VIN＝VFB＝PWM1平均值＝DUTYPWM1×VREF++(1-DUTYPWM1)×VREF-；
其中，VIN是外部输入电压，VREF+是高频脉宽调制信号PWM1的高电平，VREF-是高频脉宽调制信号PWM1的低电平。
则DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝(VIN-VREF-)/(VREF+-VREF-)；
即，高频脉宽调制信号PWM1的平均占空比和调频脉宽调制信号PWM_IN的平均占空比与外部输入电压呈线性关系，实现了高精度的频率可调的电压转脉宽调制信号(PWM)输出。
以DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝(1-T0/T1)×2为例，设VREF-＝0V，则VIN＝(1-T0/T1)×2×VREF++0V；当VIN＝VREF+，则DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝100％，T0/T1＝0.5；当VIN＝0V，则DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝0％，T0/T1＝1；当VIN＝VREF+/2，则DUTYPWM1＝DUTYPWM_IN＝50％，T0/T1＝0.75。
高频脉宽调制信号PWM1的频率与调频脉宽调制信号PWM_IN的频率呈倍数关系，高频脉宽调制信号PWM1的频率为F，调频脉宽调制信号PWM_IN的频率为F/m，m为整数，m值可以根据后级电路的需求调整。
如图9所示，所述的调制电路104包含：
信号调制电路500，其输入端输入PWM_IN信号和基准时钟信号CK0，其输出端输出调制信号SIGX，其用于对信号进行占空比调制；
毛刺过滤电路506，其输入端输入调制信号SIGX，其输出端输出第一固定频率调制信号SIG_MODU和第二固定频率调制信号SIG_MODU2，其用于过滤信号毛刺。
进一步，所述的信号调制电路500包含：分频触发器501、与门502、反相器503、4输入的与或门504、以及或门505，基准时钟信号CK0经过分频触发器501后产生分频时钟信号CK1，基准时钟信号CK0和分频时钟信号CK1输入到与门502后输出信号CK_AND，基准时钟信号CK0和分频时钟信号CK1输入到或门505输出信号CK_OR，输入信号PWM_IN输入到反相器503输出信号PWM_INB，信号CK_AND、信号CK_OR、信号PWM_IN和信号PWM_INB共同输入到4输入的与或门504，其中信号CK_AND与信号PWM_INB相与，信号CK_OR与信号PWM_IN相与，两者的结果相或，得到信号SIGX，信号SIGX便为过渡的调制信号。由于此信号调制电路500为组合逻辑电路，会在时钟的边沿时令过渡调制信号SIGX产生毛刺，所以将调制信号SIGX输入毛刺过滤电路506。
所述的毛刺过滤电路506包含：迟延电路507、异或门508、以及毛刺过滤触发器509，基准时钟信号CK0经过迟延电路507后与基准时钟信号CK0共同输入到异或门508，异或门508输出触发信号TRIG，触发信号TRIG连接到毛刺过滤触发器509的时钟信号端，调制信号SIGX输入到毛刺过滤触发器509的数据端，触发信号TRIG的下降沿采样调制信号SIGX的状态，从而实现对毛刺的过滤。
如图10所示，为调制电路104的工作波形图，本实施例中以75％占空比的周期作为高电平的表征，25％占空比的周期作为低电平的表征。基准时钟信号CK0为整个调制电路的基准时钟，分频时钟信号CK1为基准时钟信号CK0的二分频信号。CK0和CK1相与后得到CK_AND信号，此信号为25％占空比，CK0和CK1相或后得到CK_OR信号，此信号为75％占空比。通过与或门304的选择，当PWM_IN为高时，SIGX＝CK_OR，即输入75％占空周期信号；当PWM_IN为低时，SIGX＝CK_AND，即输出25％占空比信号。所以，SIGX便是实现了对PWM_IN信号的25％-75％调制，由于SIGX信号由逻辑电路产生，在时钟信号的跳边沿容易产生毛刺，因此通过毛刺过滤电路509实现SIGX信号毛刺过滤，其中通迟延电路507和异或门508产生触发信号TRIG，利用TRIG信号下降沿作为触发信号，触发器509采样SIGX信号，输出无毛刺的25％-75％固定频率调制信号SIG_MODU。
如图11所示，是检测电路106的第一种实施例，该检测电路106适用于如图1所示的单隔离电容方案中。所述的检测电路106包含：
迟滞比较器701，其正输入级连接第一隔离电容103，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其输出端输出电压信号SIG_MODUC，该迟滞比较器701用于还原耦合前信号的时序信息；
第一电阻702，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器701的正输入级；
第二电阻703，其一端连接迟滞比较器701的正输入级，另一端接地；
第三电阻704，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器701的负输入级；
第四电阻705，其一端连接迟滞比较器701的负输入级，另一端接地。
第一电阻702和第二电阻703为迟滞比较器701的正输入端提供默认电平VX，第三电阻704和第四电阻705为迟滞比较器701的负输入端提供默认电平VY，VX＝VY。
如图12所示，为图11所示的检测电路106的工作波形图，SIG_MODU的上升沿会耦合电荷到SIG_MODUB侧，导致SIG_MODUB的电压上升，然后通过SIG_MODUB上所接的两个上下拉电阻(第一电阻702和第二电阻703)实现电压的恢复，SIG_MODU的下降沿会耦合电荷到SIG_MODUB侧，导致SIG_MODUB的电压下降，然后通过SIG_MODUB上所接的两个上下拉电阻(第三电阻704和第四电阻705)实现电压的恢复，从而图12中所示SIG_MODUB电压波形，通过迟滞比较器701的电压比较功能，在迟滞比较器701的输出端SIG_MODUC处恢复SIG_MODU的频率占空比等时序信息。
如图13所示，是检测电路106的第二种实施例，该检测电路106适用于如图1所示的单隔离电容方案中。所述的检测电路106包含：
迟滞比较器901，其正输入级连接第一隔离电容103，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其输出端输出电压信号SIG_MODUC，该迟滞比较器901用于还原耦合前信号的时序信息；
第五电阻902，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器901的正输入级；
第六电阻903，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器901的负输入级。
第五电阻902和第六电阻903同时连接到偏置电压信号VREFX，实现迟滞比较器901的正输入端和负输入端在默认条件下都等于参考电压VREFX。
如图14所示，是检测电路106的第三种实施例，该检测电路106适用于如图4所示的双隔离电容方案中。所述的检测电路106包含：
迟滞比较器701，其正输入级连接第一隔离电容103，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其负输入级连接第二隔离电容108，负输入级输入第二电容耦合信号SIG_MODU2B，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第一电阻702，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器701的正输入级；
第二电阻703，其一端连接迟滞比较器701的正输入级，另一端接地；
第三电阻704，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器701的负输入级；
第四电阻705，其一端连接迟滞比较器701的负输入级，另一端接地。
第一电阻702和第二电阻703为迟滞比较器701的正输入端提供默认电平VX，第三电阻704和第四电阻705为迟滞比较器701的负输入端提供默认电平VY，VX＝VY。
如图15所示，是检测电路106的第四种实施例，该检测电路106适用于如图4所示的双隔离电容方案中。所述的检测电路106包含：
滞比较器901，其正输入级连接第一隔离电容103，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其负输入级连接第二隔离电容108，负输入级输入第二电容耦合信号SIG_MODU2B，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第五电阻902，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器901的正输入级；
第六电阻903，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器901的负输入级。
第五电阻902和第六电阻903同时连接到偏置电压信号VREFX，实现迟滞比较器901的正输入端和负输入端在默认条件下都等于参考电压VREFX。
如图16所示，所述的解调电路105包含：
高电平时间转电压电路1111，其输入端输入延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端输出高电平时间转换电压信号VH，该高电平时间转电压电路1111用于将高电平时间量转换成电压量VH；
低电平时间转电压电路1112，其输入端输入延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端输出低电平时间转换电压信号VL，该低电平时间转电压电路1112用于将低电平时间量转换成电压量VL；
解调触发电路1113，其输入端输入高电平时间转换电压信号VH和低电平时间转换电压信号VL，其输出端输出解调信号PWM_OUT。
进一步，所述的高电平时间转电压电路1111包含：
电流源晶体管1101，其源极接电源，栅极接偏置电压IBIAS，漏极连接开关晶体管1102的源极；
开关晶体管1102，其源极连接电流源晶体管1101的漏极，栅极连接反相器1114的输出端，漏极接高电平时间转换电压信号VH；
泄放晶体管1103，其源极连接高电平时间转换电压信号VH，栅极接泄放信号DISC，漏极接地；
电容1104，其一端连接高电平时间转换电压信号VH，另一端接地；
反相器1114，其输入端连接延迟电路输出的延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端连接开关晶体管1102的栅极。
所述的低电平时间转电压电路1112包含：
电流源晶体管1105，其源极接电源，栅极接偏置电压IBIAS，漏极连接开关晶体管1106的源极；
开关晶体管1106，其源极连接电流源晶体管1105的漏极，栅极连接延迟电路输出的延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，漏极接低电平时间转换电压信号VL；
泄放晶体管1107，其源极连接低电平时间转换电压信号VL，栅极接泄放信号DISC，漏极接地；
电容1108，其一端连接低电平时间转换电压信号VL，另一端接地。
所述的解调触发电路1113包含：
比较器1109，其正输入端连接高电平时间转电压电路1111输出的高电平时间转换电压信号VH，其负输入端连接低电平时间转电压电路1112输出的低电平时间转换电压信号VL，其输出端输出比较信号DAT给触发器1110；当VH>VL，比较信号DAT为高电平，当VH<VL，比较信号DAT为低电平；
触发器1110，其数据输入端D连接比较器1109的输出端，其触发时钟端C连接电压信号SIG_MODUC，其输出端Q输出解调信号PWM_OUT。
如图17所示，为电压信号SIG_MODUC被解调电路105还原成解调信号PWM_OUT信号的实施例，本实施例中以75％占空比的周期作为高电平的表征，25％占空比的周期作为低电平的表征。其中占空比为75％的时钟周期被还原成为高电平，占空比为25％的时钟周期被还原成为低电平，由于解调电路对当前调制芯片的占空比的判定会在下一个周期进行表达，所以从SIG_MODUC到PWM_OUT会存在1个调制时钟周期的延迟，即PWM_OUT相对于PWM_IN会存在一个调制时钟周期的延迟。
如图18所示，在电压信号SIG_MODUC经过迟延T0后产生延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，SIG_MODUC_DLY的上升沿生成脉冲信号DISC(泄放信号)，脉冲宽度为T1。SIG_MODUC_DLY的高电平期间，开关晶体管1102打开，电流源晶体管1101对电容1104充电，VH电压上升，开关晶体管1106关闭，VL电压保持；SIG_MODUC_DLY的低电平期间，开关晶体管1106打开，电流源晶体管1105对电容1108充电，VL电压上升，开关晶体管1102关闭，VH电压保持。当SIG_MODUC_DLY信号为25％占空比时，经过1个时钟周期的充电VH<VL，比较器1109输出DAT为低，SIG_MODUC的上升沿采样DAT信号，PWM_OUT输出为低。当SIG_MODUC_DLY信号为75％占空比时，经过1个时钟周期的充电VH>VL，比较器1109输出DAT为高，SIG_MODUC的上升沿采样DAT信号，PWM_OUT输出为高。从而实现了对SIG_MODUC信号的解调，由于解调信号PWM_OUT是对SIG_MODUC信号上一个周期的解调，所以相对于原始输入信号PWM_IN会有一个周期的是滞后。
如图19所示，为一个0-10V隔离PWM调光的实施例，其在输入小于0.5V时PWM_OUT输出占空比为0％的信号，即低电平；在输入信号VIN大于9.5V时PWM_OUT输出占空比为100％的信号，即高电平。而VIN在1V-9V的范围内PWM输入的占空比基本VIN/10V，所以在1V-9V范围内，PWM_OUT占空比与VIN的电压值呈线性关系。
本发明通过特殊的占空比调制解调进行信号传输，并用电容器作为信号隔离器件，从而实现了模拟信号向PWM信号的转换，同时实现了信号隔离传输。本发明通过前后级电路调制解调的方式实现信号的模拟信号的转换与隔离，前级转换调制电路将模拟信号转换成PWM信号并对PWM信号进行占空比调制，后级转换解调电路通过检测电路实现占空比调制信号的还原后，再通过占空比解调技术将占空比调制信号解调成为PWM信号。使用电容器作为隔离器件，电容器稳定、低成本、低功耗、便于集成的特点使得本发明具有非常好的实用性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (21)
1.一种模拟信号隔离转换电路，其特征在于，包含：前级转换调制电路、后级转换解调电路和分别连接前级转换调制电路输出端和后级转换解调电路输入端的隔离电容组；
所述的前级转换调制电路将模拟信号转换成PWM信号并对PWM信号进行调制；
所述的隔离电容组实现信号隔离传输；
所述的后级转换解调电路将占空比调制信号解调成为PWM信号。
2.如权利要求1所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的前级转换调制电路包含电压转PWM电路和调制电路，调制电路的输入端连接电压转PWM电路的输出端，电压转PWM电路将输入的模拟信号VIN转换成PWM信号PWM_IN，调制电路对PWM信号进行占空比调制，输出固定频率调制信号。
3.如权利要求2所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，调制电路将PWM信号的高电平转换成第一占空比的时钟周期，将PWM信号的低电平转换成第二占空比的时钟周期。
4.如权利要求3所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，第一占空比为75％且第二占空比为25％；或者第一占空比为25％且第二占空比为75％。
5.如权利要求3所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的电压转PWM电路包含：
积分滤波器，其正输入端输入模拟信号VIN，其负输入端输入高频脉宽调制信号PWM1，其输出端输出电压信号VINTEG；
双路时钟信号产生电路，其输入端输入电压信号VINTEG，其输出端输出第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1；
算法电路，其输入端输入第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1，其输出端输出高频脉宽调制信号PWM1和调频脉宽调制信号PWM_IN，高频脉宽调制信号PWM1和调频脉宽调制信号PWM_IN的平均占空比与第一时钟信号CLK0和第二时钟信号CLK1存在算法关系。
6.如权利要求3所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的调制电路包含：
信号调制电路，其输入端输入PWM_IN信号和基准时钟信号CK0，其输出端输出调制信号SIGX，信号调制电路用于对PWM_IN信号进行占空比调制，将PWM_IN的高电平转换成具有第一占空比周期的调制信号SIGX，将PWM_IN的低电平转换成具有第二占空比周期的调制信号SIGX；
毛刺过滤电路，其输入端输入调制信号SIGX，其输出端输出第一固定频率调制信号SIG_MODU和第二固定频率调制信号SIG_MODU2，第二固定频率调制信号SIG_MODU2为第一固定频率调制信号SIG_MODU的取反，毛刺过滤电路用于过滤信号毛刺。
7.如权利要求6所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的PWM_IN信号的高电平时间是基准时钟信号CK0周期的整数倍，所述的PWM_IN信号的低电平时间是基准时钟信号CK0周期的整数倍。
8.如权利要求6所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的信号调制电路包含：分频触发器、与门、反相器、4输入的与或门、以及或门，基准时钟信号CK0经过分频触发器后产生分频时钟信号CK1，基准时钟信号CK0和分频时钟信号CK1输入到与门后输出信号CK_AND，基准时钟信号CK0和分频时钟信号CK1输入到或门后输出信号CK_OR，输入信号PWM_IN输入到反相器后输出信号PWM_INB，信号CK_AND、信号CK_OR、信号PWM_IN和信号PWM_INB共同输入到4输入的与或门，其中信号CK_AND与信号PWM_INB相与，信号CK_OR与信号PWM_IN相与，两者的结果相或，得到过渡的调制信号SIGX输入毛刺过滤电路。
9.如权利要求8所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的毛刺过滤电路包含：迟延电路、异或门、以及毛刺过滤触发器，基准时钟信号CK0经过迟延电路后与基准时钟信号CK0共同输入到异或门，异或门输出触发信号TRIG，触发信号TRIG连接到毛刺过滤触发器的时钟信号端，调制信号SIGX输入到毛刺过滤触发器的数据端，触发信号TRIG的下降沿采样调制信号SIGX的状态，实现对毛刺的过滤。
10.如权利要求1所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的后级转换解调电路包含检测电路和解调电路，解调电路的输入端连接检测电路的输出端，检测电路将电容耦合信号SIG_MODUB转换为电压信号SIG_MODUC，解调电路将电压信号SIG_MODUC解调为PWM信号。
11.如权利要求10所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的隔离电容组包含第一隔离电容，其将调制后的第一固定频率信号SIG_MODU耦合后输入到检测电路。
12.如权利要求11所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第一电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第二电阻，其一端连接迟滞比较器的正输入级，另一端接地；
第三电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的负输入级；
第四电阻，其一端连接迟滞比较器的负输入级，另一端接地。
13.如权利要求11所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第五电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第六电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的负输入级。
14.如权利要求10所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的隔离电容组包含第一隔离电容和第二隔离电容，所述的第一隔离电容将调制后的第一固定频率信号SIG_MODU耦合后输入到检测电路，所述的第二隔离电容将调制后的第二固定频率信号SIG_MODU2耦合后输入到检测电路。
15.如权利要求14所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其负输入级连接第二隔离电容，负输入级输入第二电容耦合信号SIG_MODU2B，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第一电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第二电阻，其一端连接迟滞比较器的正输入级，另一端接地；
第三电阻，其一端连接电源，另一端连接迟滞比较器的负输入级；
第四电阻，其一端连接迟滞比较器的负输入级，另一端接地。
16.如权利要求14所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的检测电路包含：
迟滞比较器，其正输入级连接第一隔离电容，正输入级输入第一电容耦合信号SIG_MODUB，其负输入级连接第二隔离电容，负输入级输入第二电容耦合信号SIG_MODU2B，其输出端输出电压信号SIG_MODUC；
第五电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的正输入级；
第六电阻，其一端连接偏置电压信号VREFX，另一端连接迟滞比较器的负输入级。
17.如权利要求12、13、15、16中任意一项所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的解调电路包含：
高电平时间转电压电路，其输入端输入延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端输出高电平时间转换电压信号VH；
低电平时间转电压电路，其输入端输入延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端输出低电平时间转换电压信号VL；
解调触发电路，其输入端输入高电平时间转换电压信号VH和低电平时间转换电压信号VL，其输出端输出解调信号PWM_OUT。
18.如权利要求17所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的高电平时间转电压电路包含：
电流源晶体管，其源极接电源，栅极接偏置电压IBIAS，漏极连接开关晶体管的源极；
开关晶体管，其源极连接电流源晶体管的漏极，栅极连接反相器的输出端，漏极接高电平时间转换电压信号VH；
泄放晶体管，其源极连接高电平时间转换电压信号VH，栅极接泄放信号DISC，漏极接地；
电容，其一端连接高电平时间转换电压信号VH，另一端接地；
反相器，其输入端连接延迟电路输出的延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，其输出端连接开关晶体管的栅极。
19.如权利要求15所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的低电平时间转电压电路包含：
电流源晶体管，其源极接电源，栅极接偏置电压IBIAS，漏极连接开关晶体管的源极；
开关晶体管，其源极连接电流源晶体管的漏极，栅极连接延迟电路输出的延迟后的电压信号SIG_MODUC_DLY，漏极接低电平时间转换电压信号VL；
泄放晶体管，其源极连接低电平时间转换电压信号VL，栅极接泄放信号DISC，漏极接地；
电容，其一端连接低电平时间转换电压信号VL，另一端接地。
20.如权利要求18或19所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的解调触发电路包含：
比较器，其正输入端连接高电平时间转电压电路输出的高电平时间转换电压信号VH，其负输入端连接低电平时间转电压电路输出的低电平时间转换电压信号VL，其输出端输出比较信号DAT给触发器；当VH>VL，比较信号DAT为高电平，当VH<VL，比较信号DAT为低电平；
触发器，其数据输入端D连接比较器的输出端，其触发时钟端C连接电压信号SIG_MODUC，其输出端Q输出解调信号PWM_OUT。如权利要求1所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的前级转换调制电路包含电压转PWM电路和调制电路，调制电路的输入端连接电压转PWM电路的输出端，电压转PWM电路将输入的模拟信号VIN转换成PWM信号PWM_IN，调制电路对PWM信号进行频率调制，调制电路将PWM信号的高电平转换成第一频率时钟信号，将PWM信号的低电平转换成第二频率时钟信号。
21.如权利要求20所述的模拟信号隔离转换电路，其特征在于，所述的第一频率时钟信号或者第二频率时钟信号的频率为0。
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