CN110518902A - 一种脉宽信号隔离传输电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉宽信号隔离传输电路,包括整形电路、低通滤波电路、斩波电路、还原电路、比例运算电路、耦合变压器T1,耦合变压器T1包括原边绕阻和副边绕阻;整形电路的输入端连接输入PWM信号,整形电路的输出端连接低通滤波电路的输入端,低通滤波电路的输出端连接斩波电路的输入端,斩波电路的第一输出端和第二输出端分别连接在原边绕阻的同名端和异名端,还原电路的第一输入端和第二输入端分别连接在副边绕阻的同名端和异名端,还原电路的输出端连接比例运算电路的输入端,比例运算电路的输出端输出模拟电压信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉宽信号隔离传输电路,特别涉及信号隔离变送器、工业测控行业。
背景技术
在工业测控行业,通过PWM将模拟信号转换为电压、电流信号对现场设备进行控制的应用是非常常见的,其典型应用的方案如专利号CN201620407652,名称为《一种PWM控制电流信号隔离变送集成电路》的专利文献中公开一种隔离转换方法及其电路,如图1所示,该方案包括限流限压保护电路、光电耦合隔离电路、精密基准电压源开关电路、低通滤波电路、驱动放大电路、V/I转换电路,所述限流限压保护电路、光电耦合隔离电路、精密基准电压源开关电路、低通滤波电路、驱动放大电路、V/I转换电路依次串联,所述限流限压保护电路与PWM信号输入电路的输出端串联;所述限流限压保护电路采用电流限流、稳压管限压;所述光电耦合隔离电路采用光电耦合方式实现信号电气隔离;所述精密基准电压源开关电路实现PWM信号整形及精密限幅;所述低通滤波电路实现滤除PWM波的高频谐波,使后端电路得到波动很小的直流电压,保证产品输入PWM信号占空比与输出直流电压呈高精度线性关系;所述驱动放大电路实现电压信号的放大及缓冲处理;所述V/I转换电路将电压信号转换成高精度、高稳定度的4-20mA电流输出,并完成DC/DC电源转换及精密电压基准源的转换。其特点为:通过光耦进行PWM信号的隔离,输出端通过稳压以及滤波电路进行模拟信号转换。图2为现有的PWM信号隔离传输电路应用电路原理图。
现有技术的缺陷在于:
1、因为光耦的输入端属于电流型工作的低阻元件,此种应用对PWM驱动能力有一定要求,当输入PWM信号为电压信号时,经过光耦转换为电流信号,由于电流输入的特性,低通滤波电路的输入端口呈低阻态,在多个信号转换模块并联时,可能会存在驱动能力不足的情况;
2、光耦的传输特性容易受到温度影响,而间接影响传输PWM信号波形,进而影响传输精度。
发明内容
本发明目的在于提供一种脉宽信号隔离传输电路,解决一路PWM信号驱动多个信号转换模块时,可能会存在PWM信号驱动能力不足的情况,同时实现将PWM信号隔离转换为模拟电压信号的功能。
本发明的目的可以通过以下方案实现:
一种脉宽信号隔离传输电路,包括整形电路、低通滤波电路、斩波电路、还原电路、比例运算电路、耦合变压器T1、耦合变压器T1包括原边绕阻和副边绕阻;整形电路用于将输入PWM信号转换为具有固定稳压幅值的PWM电压信号,低通滤波电路用于将PWM电压信号线性转换为直流模拟电压信号,斩波电路用于将直流模拟电压信号转换为互补脉冲方波信号,还原电路用于将互补脉冲方波信号还原为直流模拟电压信号,比例运算电路用于将直流模拟电压信号进行放大并输出;整形电路的输入端作为脉宽信号隔离传输电路的输入端,整形电路的输出端连接低通滤波电路的输入端,低通滤波电路的输出端连接斩波电路的输入端,斩波电路的第一输出端连接原边绕阻的同名端,斩波电路的第二输出端连接原边绕阻的异名端;还原电路的第一输入端连接副边绕组的同名端,还原电路的第二输入端连接副边绕组的异名端,还原电路的输出端连接比例运算电路的输入端,比例运算电路的输出端作为脉宽信号隔离传输电路的输出端。
作为上述整形电路的一种具体实施方式,其特征在于:整形电路是由一个与门U1构成,与门U1的第一输入引脚INA和第二输入引脚INB相连并连接PWM信号源作为整形电路的输入端,与门U1输出引脚Y作为整形电路的输出端。
作为上述低通滤波电路的一种具体实施方式,其特征在于:低通滤波电路是由单个三阶低通RC滤波电路构成,其中电阻R6一端作为低通滤波电路的输入端,电阻R6另一端连接电阻R7一端和电容C3一端,电阻R7另一端连接电阻R8一端和电容C4一端,电阻R8另一端连接电容C5一端作为低通滤波电路的输出端,电容C3另一端、电容C4另一端和电容C5另一端连接参考地。
作为上述低通滤波电路的另一种具体实施方式,其特征在于:低通滤波电路包括n个串联而成的二阶有源滤波电路和电容C5,单个二阶有源滤波电路的连接关系为:电阻R1一端作为低通滤波电路的输入端,电阻R1另一端连接电阻R2一端和电容C1一端,电阻R2另一端与运算放大器U2的正输入端以及电容C2一端相连,运算放大器U2的负输入端与电阻R3一端、电阻R4一端相连,电容C1另一端和电阻R4另一端与运算放大器U2的输出端相连,运算放大器U2的输出端连接下一个二阶有源滤波电路,第n个运算放大器Un+1的输出端连接电容C5一端作为低通滤波电路的输出端,电容C2另一端、电容C5另一端和电阻R3另一端与参考地相连,n为大于等于1的正整数。
作为上述斩波电路的一种具体实施方式,其特征在于:斩波电路包括MOS管TR1、MOS管TR2和原边驱动电路,原边驱动电路的第一输入端接入外部第一驱动信号,原边驱动电路的第二输入端接入外部第二驱动信号,原边绕阻的中间抽头作为斩波电路的输入端,MOS管TR1源极连接原边绕组的同名端,MOS管TR2源极连接原边绕组的异名端,MOS管TR1栅极连接原边驱动电路的第一输出端,MOS管TR2栅极连接原边驱动电路的第二输出端,MOS管TR1漏极和MOS管TR2漏极作为斩波电路的公共端连接参考地。
作为上述原边驱动电路的一种具体实施方式,其特征在于:原边驱动电路包括电容C6、电容C7、电阻R9和电阻R10,电容C6一端作为原边驱动电路的第一输入端,电容C6另一端连接电阻R9一端,其连接点作为原边驱动电路的第一输出端,电容C7一端作为原边驱动电路的第二输入端,电容C7另一端连接电阻R10一端,其连接点作为原边驱动电路的第二输出端,电阻9另一端和电阻10另一端连接至斩波电路的公共端。
作为上述还原电路的一种具体实施方式,其特征在于:还原电路包括MOS管TR3、MOS管TR4和副边驱动电路,副边驱动电路的第一输入端接入外部第三驱动信号,副边驱动电路的第二输入端接入外部第四驱动信号,副边绕阻的中间抽头作为还原电路的输出端,MOS管TR3源极连接副边绕组的同名端,MOS管TR4源极连接副边绕组的异名端,MOS管TR3栅极连接副边驱动电路的第一输出端,MOS管TR4栅极连接副边驱动电路的第二输出端,MOS管TR3漏极和MOS管TR4漏极作为还原电路的公共端连接参考地。
作为上述副边驱动电路的一种具体实施方式,其特征在于:副边驱动电路包括电容C8、电容C9、电阻R11和电阻R12,电容C8一端作为副边驱动电路的第一输入端,电容C8另一端连接电阻R11一端,其连接点作为副边驱动电路的第一输出端,电容C9一端作为副边驱动电路的第二输入端,电容C9另一端连接电阻R12一端,其连接点作为副边驱动电路的第二输出端,电阻R11另一端和电阻R12另一端连接至还原电路的公共端。
作为上述比例运算电路的一种具体实施方式,其特征在于:比例运算电路包括运算放大器U4、电阻R13、电阻R14和电容C10,其中运算放大器U4的正输入端连接电容C10一端作为比例运算电路的输入端,运算放大器U4的负输入端连接电阻R13一端和电阻R14,电容C10另一端和电阻R13另一端连接参考地,电阻R14另一端连接运算放大器U4的输出端作为比例运算电路的输出端。
优选的,第一驱动信号与第二驱动信号为互补脉冲信号,第三驱动信号与第四驱动信号为互补脉冲信号,第一驱动信号和第三驱动信号为同步脉冲信号,第二驱动信号和第四驱动信号为同步脉冲信号。
本发明的有益效果在于:
1、通过整形电路将输入PWM信号转换为具有固定稳压幅值的PWM电压信号,由于电压输入的特性,低通滤波电路的输入端口呈高阻态,有效的解决了多模块并联使用时驱动能力不足的隐患;
2、信号隔离方式为电磁隔离,与光耦隔离相比通过变压器的工艺可以比较容易的实现低成本、高速度、高隔离度的设计,且不易受温度影响,传输的信号的稳定性较光耦更优。
附图说明
图1为现有的PWM信号隔离传输电路应用电路原理框图;
图2为现有的PWM信号隔离传输电路应用电路原理图;
图3为本发明脉宽信号隔离传输电路的原理框图;
图4为本发明第一实施例脉宽信号隔离传输电路的原理图;
图5为本发明第二实施例脉宽信号隔离传输电路的原理图。
具体实施方式
图3为本发明脉宽信号隔离传输电路的原理框图,一种脉宽信号隔离传输电路,包括整形电路、低通滤波电路、斩波电路、还原电路、比例运算电路、耦合变压器T1,耦合变压器T1包括原边绕阻和副边绕阻;整形电路用于将输入PWM信号转换为固定稳压幅值PWM信号,低通滤波电路用于将固定稳压幅值PWM信号线性转换为直流模拟电压信号,斩波电路用于将直流模拟电压信号转换为互补脉冲方波信号,还原电路用于将互补脉冲方波信号还原为直流模拟电压信号,比例运算电路用于将直流模拟电压信号进行放大并输出;整形电路的输入端连接输入PWM信号,整形电路的输出端连接低通滤波电路的输入端,低通滤波电路的输出端连接斩波电路的输入端,斩波电路的第一输出端和第二输出端分别连接在原边绕阻的同名端和异名端,还原电路的第一输入端和第二输入端分别连接在副边绕阻的同名端和异名端,还原电路的输出端连接比例运算电路的输入端,比例运算电路的输出端输出模拟电压信号。
第一实施例
图4为本发明第一实施例脉宽信号隔离传输电路的原理图,如图所示,包括耦合变压器T1、整形电路、两个二阶有源滤波电路组成的低通滤波电路、斩波电路、还原电路和比例运算电路,耦合变压器T1包括原边绕阻和副边绕阻,其中:
整形电路是由一个与门U1构成,与门U1的第一输入引脚INA和第二输入引脚INB相连并连接PWM信号源作为整形电路的输入端,与门U1输出引脚Y作为整形电路的输出端;
低通滤波电路包括电阻R1~R8、电容C1~C5、运算放大器U2和运算放大器U3,电阻R1一端连接与门U1输出引脚Y,电阻R1另一端连接电阻R2一端和电容C1一端,电阻R2另一端与运算放大器U2的正输入端以及电容C2一端相连,运算放大器U2的负输入端与电阻R3一端、电阻R4一端相连,电容C2另一端、电阻R3另一端与参考地相连,电容C1另一端和电阻R4另一端连接运算放大器U2的输出端,运算放大器U2的输出端连接电阻R5一端,电阻R5另一端连接电阻R6一端和电容C3一端,电阻R6另一端与运算放大器U3的正输入端以及电容C4一端相连,运算放大器U3的负输入端与电阻R7一端、电阻R8一端相连,电容C4另一端、电阻R7另一端与参考地相连,电容C3另一端、电容C5一端和电阻R8另一端和运算放大器U3的输出端连接;
斩波电路包括MOS管TR1、MOS管TR2以及由电容C6、电容C7、电阻R9和电阻R10组成的原边驱动电路,原边绕阻的中间抽头连接运算放大器U3的输出端,MOS管TR1源极连接原边绕组的同名端,MOS管TR2源极连接原边绕组的异名端,电容C6一端接入外部第一驱动信号DS1,电容C6另一端连接电阻R9一端,其连接点连接MOS管TR1栅极,电容C7一端接入外部第二驱动信号DS2,电容C7另一端连接电阻R10一端,其连接点连接MOS管TR2栅极,MOS管TR1漏极和MOS管TR2漏极作为斩波电路的公共端连接参考地,电阻9另一端和电阻10另一端连接至斩波电路的公共端;
还原电路包括MOS管TR3、MOS管TR4以及由电容C8、电容C9、电阻11和电阻12组成的副边驱动电路,MOS管TR3源极连接副边绕组的同名端,MOS管TR4源极连接副边绕组的异名端,电容C8一端接入外部第三驱动信号DP1,电容C8另一端连接电阻R11一端,其连接点连接MOS管TR3栅极,电容C9一端接入外部第四驱动信号DP2,电容C9另一端连接电阻R12一端,其连接点连接MOS管TR4栅极,MOS管TR3漏极和MOS管TR4漏极作为还原电路的公共端连接参考地,电阻R11另一端和电阻R12另一端连接至还原电路的公共端;
其中,第一驱动信号DS1与第二驱动信号DS2为互补脉冲信号,第三驱动信号DP1与第四驱动信号DP2为互补脉冲信号,第一驱动信号DS1和第三驱动信号DP1为同步脉冲信号,第二驱动信号DS2和第四驱动信号DP2为同步脉冲信号。
比例运算电路包括运算放大器U4、电阻R13、R14,其中运算放大器U4的正输入端连接副边绕组的中间抽头,运算放大器U4的负输入端连接电阻R13一端和电阻R14,电阻R13另一端连接参考地,电阻R14另一端连接运算放大器U4的输出端作为比例运算电路的输出端。
本发明的工作原理是,输入PWM信号S1通过与门电路U1整形之后幅值为Vref,占空比与输入PWM信号S1一致。经过整形的输入PWM信号S1再输入到4阶有源低通滤波电路,通过对整形后PWM信号傅里叶分析可以有:
其中为输入PWM信号S1的直流分量,输入PWM信号S1经过低通滤波,滤除交流谐波,理想情况下若只保留直流成分,则可得:或者S1'=VREF*K,其中K为PWM信号的比例系数,由此可知,滤波电路的输出信号幅值为S1'=VREF*K的直流电压。S1'通过斩波电路后可以调制为幅值为Vref*K,占空比与第一驱动信号DS1一致的脉冲信号,并通过变压器传输至副边,如果变压器原副边匝比为1:1,则副边还原后电压信号幅值为Vref*K,输出至比例运算电路。比例运算电路的放大倍数为F=(R13+R14)/R13,因此输出信号幅值为Vref*K*F。至此本发明电路就完成了将输入PWM信号隔离传输并还原为等比例模拟电压信号的功能。
本实施例通过整形电路将输入PWM信号转换为具有固定稳压幅值的PWM电压信号,由于电压输入的特性,低通滤波电路的输入端口呈高阻态,使得脉宽信号隔离传输电路多模块并联时,输入PWM信号也能稳定驱动。
第二实施例
图5为本发明第二实施例脉宽信号隔离传输电路的原理图,如图所示,与第一实施例不同之处在于,其低通滤波电路为单个三阶低通RC滤波电路,中电阻R1一端作为低通滤波电路的输入端,电阻R1另一端连接电阻R2一端和电容C1一端,电阻R2另一端连接电容C2一端和电阻R3一端,电阻R3另一端连接电容C3一端作为低通滤波电路的输出端,电容C1另一端、电容C2另一端和电容C3另一端连接参考地。本实施例的滤波效果以及对斩波电路驱动能力会较弱,具体表现为输出模拟电压信号纹波较大,其工作原理与第一实施例大致相同。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:包括整形电路、低通滤波电路、斩波电路、还原电路、比例运算电路、耦合变压器T1,耦合变压器T1包括原边绕阻和副边绕阻;
整形电路用于将输入PWM信号转换为具有固定稳压幅值的PWM电压信号,低通滤波电路用于将PWM电压信号线性转换为直流模拟电压信号,斩波电路用于将直流模拟电压信号转换为互补脉冲方波信号,还原电路用于将互补脉冲方波信号还原为直流模拟电压信号,比例运算电路用于将直流模拟电压信号进行放大并输出;其连接关系为:
整形电路的输入端作为脉宽信号隔离传输电路的输入端,整形电路的输出端连接低通滤波电路的输入端,低通滤波电路的输出端连接斩波电路的输入端,斩波电路的第一输出端连接原边绕阻的同名端,斩波电路的第二输出端连接原边绕阻的异名端;还原电路的第一输入端连接副边绕组的同名端,还原电路的第二输入端连接副边绕组的异名端,还原电路的输出端连接比例运算电路的输入端,比例运算电路的输出端作为脉宽信号隔离传输电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:整形电路是由一个与门U1构成的,与门U1的第一输入引脚INA和第二输入引脚INB相连并连接PWM信号源作为整形电路的输入端,与门U1输出引脚Y作为整形电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:低通滤波电路是由单个三阶低通RC滤波电路构成,其中电阻R6一端作为低通滤波电路的输入端,电阻R6另一端连接电阻R7一端和电容C3一端,电阻R7另一端连接电阻R8一端和电容C4一端,电阻R8另一端连接电容C5一端作为低通滤波电路的输出端,电容C3另一端、电容C4另一端和电容C5另一端连接参考地。
4.根据权利要求1所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:低通滤波电路包括n个串联而成的二阶有源滤波电路和电容C5,其中电阻R1一端作为低通滤波电路的输入端,电阻R1另一端连接电阻R2一端和电容C1一端,电阻R2另一端与运算放大器U2的正输入端以及电容C2一端相连,运算放大器U2的负输入端与电阻R3一端、电阻R4一端相连,电容C1另一端和电阻R4另一端与运算放大器U2的输出端相连,运算放大器U2的输出端连接下一个二阶有源滤波电路,第n个运算放大器Un+1的输出端连接电容C5一端作为低通滤波电路的输出端,电容C2另一端、电容C5另一端和电阻R3另一端与参考地相连,n为大于等于1的正整数。
5.根据权利要求1所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:斩波电路包括MOS管TR1、MOS管TR2和原边驱动电路,原边驱动电路的第一输入端接入外部第一驱动信号,原边驱动电路的第二输入端接入外部第二驱动信号,原边绕阻的中间抽头作为斩波电路的输入端,MOS管TR1源极连接原边绕组的同名端,MOS管TR2源极连接原边绕组的异名端,MOS管TR1栅极连接原边驱动电路的第一输出端,MOS管TR2栅极连接原边驱动电路的第二输出端,MOS管TR1漏极和MOS管TR2漏极作为斩波电路的公共端连接参考地。
6.根据权利要求5所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:原边驱动电路包括电容C6、电容C7、电阻R9和电阻R10,电容C6一端作为原边驱动电路的第一输入端,电容C6另一端连接电阻R9一端,其连接点作为原边驱动电路的第一输出端,电容C7一端作为原边驱动电路的第二输入端,电容C7另一端连接电阻R10一端,其连接点作为原边驱动电路的第二输出端,电阻9另一端和电阻10另一端连接至斩波电路的公共端。
7.根据权利要求1所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:还原电路包括MOS管TR3、MOS管TR4和副边驱动电路,副边驱动电路的第一输入端接入外部第三驱动信号,副边驱动电路的第二输入端接入外部第四驱动信号,副边绕阻的中间抽头作为还原电路的输出端,MOS管TR3源极连接副边绕组的同名端,MOS管TR4源极连接副边绕组的异名端,MOS管TR3栅极连接副边驱动电路的第一输出端,MOS管TR4栅极连接副边驱动电路的第二输出端,MOS管TR3漏极和MOS管TR4漏极作为还原电路的公共端连接参考地。
8.根据权利要求7所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:副边驱动电路包括电容C8、电容C9、电阻R11和电阻R12,电容C8一端作为副边驱动电路的第一输入端,电容C8另一端连接电阻R11一端,其连接点作为副边驱动电路的第一输出端,电容C9一端作为副边驱动电路的第二输入端,电容C9另一端连接电阻R12一端,其连接点作为副边驱动电路的第二输出端,电阻R11另一端和电阻R12另一端连接至还原电路的公共端。
9.根据权利要求1所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:比例运算电路包括运算放大器U4、电阻R13、电阻R14和电容C10,其中运算放大器U4的正输入端连接电容C10一端作为比例运算电路的输入端,运算放大器U4的负输入端连接电阻R13一端和电阻R14,电容C10另一端和电阻R13另一端连接参考地,电阻R14另一端连接运算放大器U4的输出端作为比例运算电路的输出端。
10.根据权利要求5或7所述的脉宽信号隔离传输电路,其特征在于:第一驱动信号与第二驱动信号为互补脉冲信号,第三驱动信号与第四驱动信号为互补脉冲信号,第一驱动信号和第三驱动信号为同步脉冲信号,第二驱动信号和第四驱动信号为同步脉冲信号。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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