CN110632359A - 一种基于飞电容的模拟量隔离系统及方法 - Google Patents

一种基于飞电容的模拟量隔离系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞电容的模拟量隔离系统及方法，本发明采用硬件逻辑电路产生逻辑控制信号，控制光MOS管的开断以对采样电容进行充电和放电，同时控制采样保持放大器对采样电容两端的电压进行采样和保持，实现模拟量信号的隔离。本发明采用纯硬件电路，通过光MOS管和采样电容构成的飞电容结构，由硬逻辑电路产生逻辑控制信号进行控制，实现核反应堆数字化仪控系统中现场模拟量信号与模拟量采集装置之间的隔离，电路结构简单，且无需额外的校准电路，易于生产调试。

Description

一种基于飞电容的模拟量隔离系统及方法
技术领域
本发明涉及核安全级数字化仪控技术领域，具体涉及一种基于飞电容的模拟量隔离系统及方法。
背景技术
在核反应堆保护数字化仪控系统中，现场传感器或者变送器输入的模拟量信号需要通过隔离分配，输出到安全级的模拟量采集装置进行模拟量信号的采集。为了保证输入级的安全，需要将现场信号与模拟量采集装置进行隔离，由于同一个模拟量信号可能需要被多个设备进行采集，所以在隔离的同时，还需要具有分配功能。目前常用的模拟量隔离方式有线性光耦隔离，电容耦合隔离，变压器隔离等，这些隔离方式都可以通过相关的集成芯片完成，但是都存在较大的初始误差和较高的温漂。为了保证精度，需要配合相关的校准电路，电路比较复杂，增加了生产调试的难度。
发明内容
为了解决现有模拟量隔离技术存在电路复杂等技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于飞电容的模拟量隔离系统；本发明采用纯硬件电路，通过光MOS管和采样电容构成的飞电容结构，由硬逻辑电路产生逻辑控制信号进行控制，实现核反应堆数字化仪控系统中现场模拟量信号与模拟量采集装置之间的隔离，电路结构简单，且无需额外的校准电路，易于生产调试。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于飞电容的模拟量隔离系统，该系统采用硬件逻辑电路产生逻辑控制信号，控制光MOS管的开断以对采样电容进行充电和放电，同时控制采样保持放大器对采样电容两端的电压进行采样和保持，实现模拟量信号的隔离。
优选的，该系统包括依次连接的采样电阻、前级光MOS管、采样电容、后级光MOS管、仪表放大器和采样保持放大器；其中，所述前级光MOS管、后级光MOS管和采样保持放大器分别由硬件逻辑电路产生的逻辑控制信号进行控制。
优选的，所述采样电阻用于将模拟量电流信号转换为电压信号以实现对采样电容进行充电。本发明在输入端采用高精度、低温漂采样电阻进行采样，将输入的电流信号转换为电压信号，为后续采样电容进行充电，保证了该隔离系统的精度和可靠性。
优选的，通过硬件逻辑电路控制前级光MOS管闭合、后级光MOS管断开，对采样电容进入充电；通过硬件逻辑电路控制前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合，对采样电容进行放电。
优选的，在前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合时，采样电容放电，由仪表放大器将采样电容两端的差分电压转换为电压信号，由硬件逻辑电路控制采样保持放大器对仪表放大器输出的电压进行采样。
优选的，所述硬件逻辑电路通过定时器产生固定频率、固定占空比的方波信号，该方波信号通过D触发器、与门和非门进行逻辑运算，产生3路控制信号，分别用于控制前级光MOS管、后级光MOS管和采样保持放大器。
优选的，该系统还包括V/I变换电路，所述采样保持放大器输出的电压通过V/I变化电路转换为电流信号输出。
另一方面，本发明还提出了一种基于飞电容的模拟量隔离方法，该隔离方法基于上述隔离系统实现，用于反应堆保护数字化仪控系统中模拟量信号的隔离。
优选的，该方法包括如下步骤：
步骤S1，将输入的模拟量电流信号转换为电压信号；
步骤S2，控制前级光MOS管闭合、后级光MOS管断开，所述电压信号对采样电容进行充电；
步骤S3，当达到充电时间后，控制前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合，采样电容两端的差分电压通过仪表放大器转换为电压信号，控制采样保持放大器对仪表放大器输出的电压信号进行采样；
步骤S4，当达到采样时间后，采样保持放大器保持输出直到下次采样；同时控制后级光MOS管断开；
步骤S5，重复步骤S2-S4，进行下次采样。
优选的，该方法还包括将步骤S4中采样保持放大器输出的电压信号转换为电流信号输出。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明采用纯硬件电路实现，通过硬件逻辑电路产生逻辑控制信号，控制光MOS管的开断，对采样电容进行充电和放电；通过控制采样保持放大器对电容两端的电压进行采样和保持，实现现场模拟量信号与采集装置之间的隔离。相较于现有隔离技术，本发明的电路结构简单，无需校准；本发明采用纯硬件电路实现的隔离技术，具有可靠性高、精度高、响应时间短和低温漂等特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的系统结构原理框图。
图2为本发明的系统电路结构示意图。
图3为本发明另一实施例的系统电路结构示意图。
图4为本发明的硬件逻辑电路结构示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种基于飞电容的模拟量隔离系统，该系统采用硬件逻辑电路产生逻辑控制信号，控制光MOS管的开断以对采样电容进行充电和放电，同时控制采样保持放大器对采样电容两端的电压进行采样和保持，实现模拟量信号的隔离。
本实施例的隔离系统使用纯硬件电路，以飞电容的形式，完成对模拟量信号的隔离，无需校准。
如图1所示，本实施例的隔离系统包括依次连接的采样电阻、前级光MOS管、采样电容、后级光MOS管、仪表放大器和采样保持放大器；其中，所述前级光MOS管、后级光MOS管和采样保持放大器分别由硬件逻辑电路产生的逻辑控制信号进行控制。
在本实施例中：
外部输入的模拟量信号(即现场传感器输出的模拟量信号)通过高精度、低温漂采样电阻进行采样，将输入的电流转换为电压；
由硬件逻辑电路输出逻辑控制信号控制前级光MOS管闭合、后级光MOS管断开；则采样电阻上的电压开始对采样电容充电，充电时间由逻辑控制信号的高电平时间决定；
当达到充电时间后，由硬件逻辑电路输出逻辑控制信号控制前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合，采样电容放电，采样电容两端的差分电压通过仪表放大器转换为单端电压，单端电压输出到采样保持放大器，由硬件逻辑电路输出逻辑控制信号控制采样保持放大器对仪表放大器输出的电压进行采样；
当达到采样时间后，控制后级光MOS管断开且所述采样保持放大器对采样的电压信号进行输出和保持直到下次(下一周期)采样(由硬件逻辑电路输出逻辑控制信号控制前级MOS管闭合，重复上述过程，进行下一周期的采样)
本实施例中，隔离系统还包括V/I变换电路，所述采样保持放大器输出的电压经V/I变换电路转换为电流信号输出。
在本实施例中，所述前级光MOS管包括第一光MOS管组和第二光MOS管组，所述第一光MOS管组包括至少一个光MOS管，所述第二光MOS管组包括至少一个光MOS管；如图2中所示在本实施例中，所述第一光MOS管组包括一个光MOS管MOS1，所述第二光MOS管包括一个光MOS管MOS2，所述MOS1和MOS2均由同一逻辑控制信号CL1进行逻辑控制，两个光MOS管并联连接在采样电阻R1两端和采样电容C1两端。所述后级光MOS管包括第三光MOS管组和第四光MOS管组，所述第三光MOS管组包括至少一个光MOS管，所述第四光MOS管组包括至少一个光MOS管；如图2中所示在本实施例中，所述第三光MOS管组包括一个光MOS管MOS3，所述第四光MOS管组包括一个光MOS管MOS4，所述MOS3和MOS4均由同一逻辑控制信号CL2进行逻辑控制，两个光MOS管并联连接在采样电容C1两端和仪表放大器的两个输入端；所述仪表放大器的输出端与采样保持放大器的输入端连接，所述采样保持放大器的控制端输入逻辑控制信号SAMPLE，所述采样保持放大器输出端与V/I转换器连接。
在另外的优选实施例中，所述第一光MOS管组、第二光MOS管组、第三光MOS管组和第四光MOS管组还能够由至少两个常开光MOS管串联而成，具体如图3所示，每个光MOS管组均包括两个串联的光MOS管，两个光MOS管的输入端(控制端)并联，由同一逻辑控制信号进行控制，两个光MOS管的输出端(负载端)串联，当光MOS管组中控制两个光MOS管闭合导通时，该光MOS管组才导通；所述第一光MOS管组和第二光MOS管组中所有光MOS管均由逻辑控制信号CL1进行逻辑控制；所述第三光MOS管组和第四光MOS管组中所有光MOS管均由逻辑控制信号CL2进行逻辑控制；通过设置至少两个串联的光MOS管，进一步提高隔离度，同时保障在其中任一光MOS管故障时，本实施例的隔离系统不会出现误动作(因为只有当串联支路中所有光MOS管均闭合导通时，该光MOS管组才导通，否则串联支路中任一MOS管异常导通，该光MOS管组仍处于断开状态)，提高了该隔离系统的可靠性和安全性。
在本实施例中，所述硬件逻辑电路通过定时器产生固定频率、固定占空比的方波信号CLK，该方波信号CLK通过D触发器、与门和非门进行逻辑运算，产生3路控制信号(如图4所示的逻辑信号CL1、CL2和SAMPLE)，分别用于控制前级光MOS管、后级光MOS管和采样保持放大器。如图4所示，本实施例的硬件逻辑电路通过定时器产生方波信号CLK，所述方波信号通过D触发器进行分频处理，分别得到2分频信号和4分频信号，其中2分频信号和四分频信号通过与门进行逻辑运算生成逻辑控制信号CL1，用于控制前级光MOS管；四分频信号通过非门之后与2分频信号通过与门进行逻辑运算，生成逻辑控制信号CL2，用于控制后级光MOS管；方波信号CLK通过非门之后与信号CL2通过与门进行逻辑运算，生成逻辑控制信号SAMPLE，用于控制采样保持放大器。本实施例通过对定时器产生的方波信号的频率、占空比进行控制(即定时器产生的方波信号频率、占空比可调)，以适应不同响应时间需求的应用场合。
本实施例采用电容的充放电技术，基于定时器的硬件时序控制电路完成电容充放电和采样保持等功能，通过设计充放电和采样保持的时间等参数，可以在不校准的情况下，达到0.05％的精度。由于使用的器件较少，通过对器件参数的调整匹配，可以将温漂控制在±20mmp/℃。
本实施例提出的隔离系统应用于反应堆保护数字化仪控系统的模拟量隔离，该系统采用纯硬件逻辑电路产生逻辑控制信号，控制光MOS管的开断，对采样电容进行充电和放电。同时，逻辑信号控制采样保持放大器对电容两端的电压进行采样和保持，以保证输出的连续性和准确性。将采样放大器输出的电压经过V/I转换电路，以电流形式输出。以该方法具有电路简单，可靠性高，响应时间短，精度高，温漂低等优点。
实施例2
基于上述实施例1提出的隔离系统，本实施例还提出了一种基于飞电容的模拟量隔离方法，用于反应堆保护数字化仪控系统中模拟量信号的隔离。
本实施例中，该隔离方法包括如下步骤：
步骤S1，将输入的模拟量电流信号转换为电压信号。
本实施例中，在输入端采用高精度、低温漂电阻进行采样，将输入的电流转换为电压。
步骤S2，控制前级光MOS管闭合、后级光MOS管断开，所述电压信号对采样电容进行充电。
本实施例中，通过定时器产生一个固定频率，固定占空比的方波信号，通过D触发器进行倍频，通过非门进行取反，同时通过与门进行逻辑运算，生成3路逻辑控制信号，用于整个过程中的逻辑控制。
通过逻辑控制信号控制前级光MOS管闭合、后级光MOS管断开，采样电阻上的电压对采样电容进行充电，充电时间由控制信号的高电平时间决定。
步骤S3，当达到充电时间后，控制前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合，采样电容两端的差分电压通过仪表放大器转换为电压信号，控制采样保持放大器对仪表放大器输出的电压信号进行采样。
步骤S4，当达到采样时间后，采样保持放大器保持输出直到下次采样；同时控制后级光MOS管断开；
步骤S5，重复步骤S2-S4，进行下次(下一周期)采样。
本实施例中，该方法还包括将步骤S4中采样保持放大器输出的电压信号转换为电流信号输出。
本实施例提出的一种基于飞电容的模拟量方法，用于反应堆数字化仪控系统中安全级设备模拟量输入隔离，可以在不校准的情况下，实现对模拟量的高精度隔离分配。该方法具有可靠性高，电路简单，精度高，温漂低等优点。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于飞电容的模拟量隔离系统，其特征在于，该系统采用硬件逻辑电路产生逻辑控制信号，控制光MOS管的开断以对采样电容进行充电和放电，同时控制采样保持放大器对采样电容两端的电压进行采样和保持，实现模拟量信号的隔离。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞电容的模拟量隔离系统，其特征在于，该系统包括依次连接的采样电阻、前级光MOS管、采样电容、后级光MOS管、仪表放大器和采样保持放大器；其中，所述前级光MOS管、后级光MOS管和采样保持放大器分别由硬件逻辑电路产生的逻辑控制信号进行控制。
3.根据权利要求2所述的一种基于飞电容的模拟量隔离系统，其特征在于，所述采样电阻用于将模拟量电流信号转换为电压信号以实现对采样电容进行充电。
4.根据权利要求2所述的一种基于飞电容的模拟量隔离系统，其特征在于，通过硬件逻辑电路控制前级光MOS管闭合、后级光MOS管断开，对采样电容进入充电；通过硬件逻辑电路控制前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合，对采样电容进行放电。
5.根据权利要求4所述的一种基于飞电容的模拟量隔离系统，其特征在于，在前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合时，采样电容放电，由仪表放大器将采样电容两端的差分电压转换为电压信号，由硬件逻辑电路控制采样保持放大器对仪表放大器输出的电压进行采样。
6.根据权利要求2所述的一种基于飞电容的模拟量隔离系统，其特征在于，所述硬件逻辑电路通过定时器产生固定频率、固定占空比的方波信号，该方波信号通过D触发器、与门和非门进行逻辑运算，产生3路控制信号，分别用于控制前级光MOS管、后级光MOS管和采样保持放大器。
7.根据权利要求2-6任一项所述的一种基于飞电容的模拟量隔离系统，其特征在于，该系统还包括V/I变换电路，所述采样保持放大器输出的电压通过V/I变化电路转换为电流信号输出。
8.一种基于飞电容的模拟量隔离方法，其特征在于，该隔离方法基于如权利要求1-7任一项所述的隔离系统实现，用于反应堆保护数字化仪控系统中模拟量信号的隔离。
9.根据权利要求8所述的一种基于飞电容的模拟量隔离方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1，将输入的模拟量电流信号转换为电压信号；
步骤S2，控制前级光MOS管闭合、后级光MOS管断开，所述电压信号对采样电容进行充电；
步骤S3，当达到充电时间后，控制前级光MOS管断开、后级光MOS管闭合，采样电容两端的差分电压通过仪表放大器转换为电压信号，控制采样保持放大器对仪表放大器输出的电压信号进行采样；
步骤S4，当达到采样时间后，采样保持放大器保持输出直到下次采样；同时控制后级光MOS管断开；
步骤S5，重复步骤S2-S4，进行下次采样。
10.根据权利要求9所述的一种基于飞电容的模拟量隔离方法，其特征在于，该方法还包括将步骤S4中采样保持放大器输出的电压信号转换为电流信号输出。
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