CN110086464A - 数字反馈式模拟信号隔离变送电路 - Google Patents

Abstract

一种数字反馈式模拟信号隔离变送电路，属于信号隔离技术领域。包括模拟信号隔离传输电路和模拟信号还原电路，所述的模拟信号隔离传输电路包括信号比较电路、第一单路模拟开关、低通滤波电路以及数字隔离传输电路；所述的模拟信号还原电路包括第二单路模拟开关和低通滤波比例放大电路，所述的第二单路模拟开关由数字隔离传输电路输出的数字隔离信号控制而工作。优点：使用数字信号隔离技术，通过比较反馈跟踪的方法，以较低的成本，实现较高精度的低频模拟信号隔离传输。

Description

数字反馈式模拟信号隔离变送电路

技术领域

本发明属于信号隔离技术领域，具体涉及一种数字反馈式模拟信号隔离变送电路。

背景技术

工业应用中的电气隔离技术，可以有效地提高工控系统的抗干扰性、稳定性及可靠性，阻隔外部电磁干扰信号的侵入，并能准确地隔离传送模拟或数字信号，从而保证整个系统稳定可靠的运行。

传统的模拟信号线性隔离传输技术，主要依赖线性隔离器件，在传输精度及成本控制上存在一定的不足，这就限制了其应用范围。借助于日益成熟的数字隔离变送技术，“模数模”变换的模拟隔离信号传送方式已成为该领域当前的主要发展方向。该方式将模拟信号转换成数字信号，经隔离传输后，再将数字信号恢复成原始的模拟信号。在引入数字处理方法以实现模拟信号隔离传输的技术中，一般使用A/D、D/A、微处理器、PWM或V/F变换等结构或方法来达成传输效果。经实际验证，上述结构或方法存在电路复杂、软硬件调试繁琐，对部分电路元件精度要求高等问题，造成了电路成本高、测试校准环节多等不利结果。模拟信号隔离传输时，可以通过将模拟信号与数字信号反馈变换后的信号进行比较来产生控制信号，用于继续调整数字信号的变化，进而调整变换后的信号，直至模拟信号与之相等。在这个过程中，数字信号一路经回传处理后反馈至比较端，另一路经隔离后传输至后级，恢复出模拟信号，数字信号实时按照该模拟信号变换，并持续调整，由此就实现了电路自动跟踪模拟信号变化，又精确隔离变送模拟信号的目的。此种方案，相较直接模拟信号隔离传输技术，充分使用了成熟的数字信号隔离技术，通过比较反馈跟踪的方法，以较低的成本，实现较高精度的低频模拟信号隔离传输，具有一定的推广应用价值。下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字反馈式模拟信号隔离变送电路,克服模拟信号直接隔离传输的缺点，用较少的电路元件实现模拟信号的传输精度并达成准确度。

本发明的目的是这样来达到的，一种数字反馈式模拟信号隔离变送电路，其特征在于：包括模拟信号隔离传输电路和模拟信号还原电路，所述的模拟信号隔离传输电路包括信号比较电路、第一单路模拟开关、低通滤波电路以及数字隔离传输电路，所述的信号比较电路有两路输入信号，分别为待隔离传输模拟信号V_in以及低通滤波输出信号V_lpo，若待隔离传输模拟信号V_in的信号幅度高于低通滤波输出信号V_lpo，则信号比较电路输出高电平，反之，输出低电平，信号比较电路输出的电平信号用于控制第一单路模拟开关工作，当电平信号为低时，第一单路模拟开关的公共端COM1通过常闭端NC1接地GND1，当电平信号为高时，第一单路模拟开关的公共端COM1连接常开端NO1，引入第一基准电压V_REF1，第一单路模拟开关的公共端COM1的输出信号分两条支路输出，一路送入低通滤波电路，滤波后产生幅值在0～V_REF1范围变化的低通滤波输出信号V_lpo，另一路送入数字隔离传输电路，经数字隔离传输电路处理后向模拟信号还原电路输出隔离数字量信号；所述的模拟信号还原电路包括第二单路模拟开关和低通滤波比例放大电路，所述的第二单路模拟开关由数字隔离传输电路输出的数字隔离信号控制而工作，当数字隔离信号为低电平时，第二单路模拟开关的公共端COM2通过常闭端NC2接地GND2，当数字隔离信号为高电平时，第二单路模拟开关的公共端COM2连接常开端NO2，引入第二基准电压V_REF2，第二单路模拟开关的公共端COM2的输出信号接入低通滤波比例放大电路的输入端，经滤波放大后输出还原后的模拟量信号V_out。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的模拟信号隔离传输电路包括第一插座P1，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电压参考源芯片U1、数字信号隔离芯片U2、第一运算放大器U3以及第一单路模拟开关U4，其中，第一运算放大器U3构成所述的信号比较电路，U4即为所述的第一单路模拟开关，第四电阻R4、第三电容C3构成所述的低通滤波电路，数字信号隔离芯片U2构成所述的数字隔离传输电路，所述的第一电压参考源芯片U1采用REF3025，所述的数字信号隔离芯片U2采用ADuM1201，所述的第一运算放大器U3采用SGM321，所述的第一单路模拟开关U4采用SGM3157，第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端共同连接第一运算放大器U3的1脚，第一运算放大器U3的3脚与第四电阻R4的一端以及第三电容C3的一端连接，第四电阻R4的另一端与第一单路模拟开关U4的4脚以及数字信号隔离芯片U2的3脚连接，数字信号隔离芯片U2的6脚连接所述的模拟信号还原电路，输出隔离数字信号，数字信号隔离芯片U2的2、7脚悬空，第一单路模拟开关U4的6脚与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器U3的4脚连接，第一单路模拟开关U4的1脚与第一电容C1的一端、第二电容C2的一端以及第一电压参考源芯片U1的2脚连接，第二电阻R2的另一端连接第一插座P1的2脚，用于接收外部输入的模拟信号，第一插座P1的3脚、第四电容C4的一端、第一运算放大器U3的5脚、第一电压参考源芯片U1的1脚、第一单路模拟开关U4的5脚以及数字信号隔离芯片U2的1脚共同连接第一直流电源VDD1，数字信号隔离芯片U2的8脚连接第二直流电源VDD2，第一插座P1的1脚、第一电阻R1的另一端、第三电容C3的另一端、第四电容C4的另一端、第一运算放大器U3的2脚、第一电压参考源芯片U1的3脚、第一单路模拟开关U4的2、3脚、第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端以及数字信号隔离芯片U2的4、5脚共同接地。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的模拟信号还原电路包括第二插座P2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二电压源参考芯片U5，第二运算放大器U6以及第二单路模拟开关U7，其中，U7即为所述的第二单路模拟开关，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电容C8、第二运算放大器U6构成所述的低通滤波比例放大电路，所述的第二电压参考源芯片U5采用REF3025，所述的第二运算放大器U6采用SGM321、第二单路模拟开关U7采用SGM3157，第二单路模拟开关U7的6脚连接所述的模拟信号隔离传输电路，第二单路模拟开关U7的4脚连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器U6的1脚以及第八电容C8的一端连接，第二运算放大器U6的3脚与第五电阻R5的一端以及第六电阻R6的一端连接，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U6的4脚连接，并共同连接第二插座P2的2脚，第二电压参考源芯片U5的2脚与第二单路模拟开关U7的1脚、第六电容C6的一端以及第七电容C7的一端连接，第二电压参考源芯片U5的1脚、第二单路模拟开关U7的5脚、第二运算放大器U6的5脚、第五电容C5的一端以及第二插座P2的3脚共同连接第二直流电源VDD2，第二电压参考源芯片U5的3脚、第二单路模拟开关U7的2、3脚、第六电容C6的另一端、第七电容C7的另一端、第六电阻R6的另一端、第五电容C5的另一端、第二运算放大器U6的2脚、第八电容C8的另一端以及第二插座P2的1脚共同接地。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的第一单路模拟开关输出的数字信号与第二单路模拟开关输出的数字信号，除幅值外，变化规律一致。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述的低通滤波电路与低通滤波比例放大电路，除信号放大比例不同外，滤波参数相同。

本发明由于采用了上述结构，替代了模拟信号直接线性隔离传输的传统方案，区别于A/D、D/A变换的思路，具有的有益效果是：简化了电路，降低了成本；可通过比较判决，将模拟信号转换成数字序列，再经低通滤波后反馈至比较端，持续跟踪逼近待测模拟信号，同时数字序列又经数字隔离芯片隔离处理后，由低通滤波电路按比例恢复出原始的模拟信号，由此就降低了模拟信号隔离传输的难度，提高了传输精度。

附图说明

图1为本发明的框图。

图2为本发明所述的模拟信号隔离传输电路原理图。

图3为本发明所述的模拟信号还原电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，一种数字反馈式模拟信号隔离变送电路，包括模拟信号隔离传输电路和模拟信号还原电路。所述的模拟信号隔离传输电路包括信号比较电路、第一单路模拟开关、低通滤波电路以及数字隔离传输电路。信号比较电路有两路输入信号，分别为待隔离传输模拟信号V_in以及低通滤波输出信号V_lpo。若待隔离传输模拟信号V_in的信号幅度高于低通滤波输出信号V_lpo，则信号比较电路输出高电平，反之，输出低电平。上述电平信号控制第一单路模拟开关工作，当电平信号为低时，第一单路模拟开关的公共端COM1通过常闭端NC1接地GND1，当电平信号为高时，第一单路模拟开关的公共端COM1连接常开端NO1，引入第一基准电压V_REF1。第一单路模拟开关的公共端COM1的输出信号分两条支路输出，一路送入低通滤波电路，滤波后产生幅值在0～V_REF1范围变化的低通滤波输出信号V_lpo，另一路送入数字隔离传输电路，经数字隔离传输电路处理后输出数字隔离信号。所述的模拟信号还原电路包含第二单路模拟开关和低通滤波比例放大电路。所述的第二单路模拟开关由数字隔离传输电路输出的隔离数字量信号控制而工作，当数字隔离信号为低电平时，第二单路模拟开关的公共端COM2通过常闭端NC2接地GND2，当数字隔离信号为高电平时，第二单路模拟开关的公共端COM2连接常开端NO2，引入第二基准电压V_REF2。第二单路模拟开关的公共端COM2的输出信号接入低通滤波比例放大电路的输入端，经滤波放大后输出还原后的模拟量信号V_out。在上述过程中，需要保证还原后的模拟量信号V_out能够精确地跟踪待隔离传输模拟信号V_in的变化，并按一定比例放大。图中，第一单路模拟开关的公共端COM1输出的数字信号与第二单路模拟开关的公共端COM2输出的数字信号，除幅值外，变化规律一致。低通滤波电路与低通滤波比例放大电路，除信号放大比例不同外，滤波参数相同。

请参阅图2，所述的模拟信号隔离传输电路包括第一插座P1，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电压参考源芯片U1、数字信号隔离芯片U2、第一运算放大器U3以及第一单路模拟开关U4，其中，第一运算放大器U3构成所述的信号比较电路，U4即为所述的第一单路模拟开关，第四电阻R4、第三电容C3构成一阶低通滤波电路，数字信号隔离芯片U2构成所述的数字隔离传输电路，第一电压参考源芯片U1用于产生第一基准电压V_REF1，所述的第一电压参考源芯片U1采用REF3025，所述的数字信号隔离芯片U2采用ADuM1201，所述的第一运算放大器U3采用SGM321，所述的第一单路模拟开关U4采用SGM3157。该电路将待隔离传输模拟信号V_in经第一电阻R1和第二电阻R2所构成的分压电路(分压比为1：2)分压后，送入第一运算放大器U3的同相端。所述的一阶低通滤波电路滤除高频交流分量，获得直流与交流低频分量，电压幅值范围为0～2.5V的信号，该信号连接第一运算放大器U3的反相端，第一运算放大器U3整体作为比较器使用。第一运算放大器U3的输出信号连接第三电阻R3后控制第一单路模拟开关U4工作，第一单路模拟开关U4的公共端(4脚)在6脚获得的信号为低电平时输出0V，在高电平时输出2.5V，即比较器控制第一单路模拟开关U4产生高电平电压为2.5V，低电平电压为0V的数字波形。第一单路模拟开关U4的输出端一路接第四电阻R4，另一路经数字信号隔离芯片U2传送至模拟信号还原电路。

请参阅图3，所述的模拟信号还原电路包括第二插座P2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二电压源参考芯片U5，第二运算放大器U6以及第二单路模拟开关U7，其中，U7即为所述的第二单路模拟开关，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电容C8、第二运算放大器U6构成所述的低通滤波比例放大电路，第七电阻R7、第八电容C8的元件参数与所述的模拟信号隔离传输电路中的第四电阻R4、第三电容C3的参数一致，第二电压源参考芯片U5用于产生第二基准电压V_REF2，所述的第二电压参考源芯片U5采用REF3025，所述的第二运算放大器U6采用SGM321、第二单路模拟开关U7采用SGM3157。该电路主要根据模拟信号隔离传输电路中数字信号隔离芯片U2的6脚输出的隔离数字量信号DOUT还原出与待隔离传输模拟信号V_in成线性比例的还原后的模拟量信号V_out。隔离数字量信号DOUT控制第二单路模拟开关U7的工作，当隔离数字量信号DOUT为低电平时，第二单路模拟开关U7的公共端(4脚)连接至GND2，当隔离数字量信号DOUT为高电平时，第二单路模拟开关U7的公共端连接至第二电压源参考芯片U5的2脚，输出2.5V信号。第二单路模拟开关U7的公共端连接由第七电阻R7、第八电容C8构成的低通滤波器，获得电压幅值范围为0～2.5V的模拟信号，送入第二运算放大器U6的同相端。第五电阻R5、第六电阻R6用于设置同相比例放大电路中的放大系数1+R5/R6，第二运算放大器U6的第4脚输出的还原后的模拟量信号V_out即为按比例还原出的待隔离传输模拟信号V_in。

请继续参阅图2和图3，并结合相应的电路知识，可知：

V_out＝(1+R5/R6)·R1/(R1+R2)·V_in，

进一步地，当R5＝R6，R1＝R2，此时V_out＝V_in。

Claims (5)

1.一种数字反馈式模拟信号隔离变送电路，其特征在于：包括模拟信号隔离传输电路和模拟信号还原电路，所述的模拟信号隔离传输电路包括信号比较电路、第一单路模拟开关、低通滤波电路以及数字隔离传输电路，所述的信号比较电路有两路输入信号，分别为待隔离传输模拟信号V_in以及低通滤波输出信号V_lpo，若待隔离传输模拟信号V_in的信号幅度高于低通滤波输出信号V_lpo，则信号比较电路输出高电平，反之，输出低电平，信号比较电路输出的电平信号用于控制第一单路模拟开关工作，当电平信号为低时，第一单路模拟开关的公共端COM1通过常闭端NC1接地GND1，当电平信号为高时，第一单路模拟开关的公共端COM1连接常开端NO1，引入第一基准电压V_REF1，第一单路模拟开关的公共端COM1的输出信号分两条支路输出，一路送入低通滤波电路，滤波后产生幅值在0～V_REF1范围变化的低通滤波输出信号V_lpo，另一路送入数字隔离传输电路，经数字隔离传输电路处理后向模拟信号还原电路输出隔离数字量信号；所述的模拟信号还原电路包括第二单路模拟开关和低通滤波比例放大电路，所述的第二单路模拟开关由数字隔离传输电路输出的数字隔离信号控制而工作，当数字隔离信号为低电平时，第二单路模拟开关的公共端COM2通过常闭端NC2接地GND2，当数字隔离信号为高电平时，第二单路模拟开关的公共端COM2连接常开端NO2，引入第二基准电压V_REF2，第二单路模拟开关的公共端COM2的输出信号接入低通滤波比例放大电路的输入端，经滤波放大后输出还原后的模拟量信号V_out。

2.根据权利要求1所述的数字反馈式模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的模拟信号隔离传输电路包括第一插座P1，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电压参考源芯片U1、数字信号隔离芯片U2、第一运算放大器U3以及第一单路模拟开关U4，其中，第一运算放大器U3构成所述的信号比较电路，第四电阻R4和第三电容C3构成所述的低通滤波电路，数字信号隔离芯片U2构成所述的数字隔离传输电路，所述的第一电压参考源芯片U1采用REF3025，所述的数字信号隔离芯片U2采用ADuM1201，所述的第一运算放大器U3采用SGM321，所述的第一单路模拟开关U4采用SGM3157，第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端共同连接第一运算放大器U3的1脚，第一运算放大器U3的3脚与第四电阻R4的一端以及第三电容C3的一端连接，第四电阻R4的另一端与第一单路模拟开关U4的4脚以及数字信号隔离芯片U2的3脚连接，数字信号隔离芯片U2的6脚连接所述的模拟信号还原电路，输出隔离数字信号，数字信号隔离芯片U2的2、7脚悬空，第一单路模拟开关U4的6脚与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器U3的4脚连接，第一单路模拟开关U4的1脚与第一电容C1的一端、第二电容C2的一端以及第一电压参考源芯片U1的2脚连接，第二电阻R2的另一端连接第一插座P1的2脚，用于接收外部输入的模拟信号，第一插座P1的3脚、第四电容C4的一端、第一运算放大器U3的5脚、第一电压参考源芯片U1的1脚、第一单路模拟开关U4的5脚以及数字信号隔离芯片U2的1脚共同连接第一直流电源VDD1，数字信号隔离芯片U2的8脚连接第二直流电源VDD2，第一插座P1的1脚、第一电阻R1的另一端、第三电容C3的另一端、第四电容C4的另一端、第一运算放大器U3的2脚、第一电压参考源芯片U1的3脚、第一单路模拟开关U4的2、3脚、第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端以及数字信号隔离芯片U2的4、5脚共同接地。

3.根据权利要求1所述的数字反馈式模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的模拟信号还原电路包括第二插座P2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二电压源参考芯片U5，第二运算放大器U6以及第二单路模拟开关U7，其中，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电容C8、第二运算放大器U6构成所述的低通滤波比例放大电路，所述的第二电压参考源芯片U5采用REF3025，所述的第二运算放大器U6采用SGM321、第二单路模拟开关U7采用SGM3157，第二单路模拟开关U7的6脚连接所述的模拟信号隔离传输电路，第二单路模拟开关U7的4脚连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器U6的1脚以及第八电容C8的一端连接，第二运算放大器U6的3脚与第五电阻R5的一端以及第六电阻R6的一端连接，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U6的4脚连接，并共同连接第二插座P2的2脚，第二电压参考源芯片U5的2脚与第二单路模拟开关U7的1脚、第六电容C6的一端以及第七电容C7的一端连接，第二电压参考源芯片U5的1脚、第二单路模拟开关U7的5脚、第二运算放大器U6的5脚、第五电容C5的一端以及第二插座P2的3脚共同连接第二直流电源VDD2，第二电压参考源芯片U5的3脚、第二单路模拟开关U7的2、3脚、第六电容C6的另一端、第七电容C7的另一端、第六电阻R6的另一端、第五电容C5的另一端、第二运算放大器U6的2脚、第八电容C8的另一端以及第二插座P2的1脚共同接地。

4.根据权利要求1所述的数字反馈式模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的第一单路模拟开关输出的数字信号与第二单路模拟开关输出的数字信号，除幅值外，变化规律一致。

5.根据权利要求1所述的数字反馈式模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的低通滤波电路与低通滤波比例放大电路，除信号放大比例不同外，滤波参数相同。