CN110672917A - 一种小型电压传感器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种小型电压传感器电路，涉及小型电压传感器技术领域，该小型电压传感器电路包括：电阻网络电路、隔离运放N2、差分运算放大器N3；所述电阻网络电路用于将测量信号按比例转化为低压信号输出，其输出端连接到隔离运放N2的输入端；所述隔离运放N2的输出端连接到差分运算放大器N3的输入端；所述差分运算放大器N3的输出端输出电压信号。该小型电压传感器电路具有良好的抗磁场干扰能力和绝缘耐压强度。
Description
技术领域
本发明涉及小型电压传感器技术领域，尤其涉及一种小型电压传感器电路。
背景技术
目前应用较广的小型电压传感器，原边测试高压信号是通过传感器外部串联大量电阻进行分压、经原边线圈转化成电流，再由磁隔离转化成次边线圈电流。为保证原次边信号的绝缘强度，需要将原次边线圈之间的距离在有限的空间内进行扩充，只能采取将线圈的线径不断缩小，随之而来增加了线圈伤线的风险。加上采用磁隔离引入磁场干扰，也会影响到传感器测试精度。
小型电压传感器应用的高压测试环境中，可能存在瞬时高电压、共模电压和共地点电位波动，使测量系统受损、影响到传感器的测量精度，因此需要用到电气隔离技术。
传感器常用的信号隔离技术为光电隔离、磁隔离和芯片隔离。光电隔离是通过光敏元件实现信号隔离传递，由于功耗较大、传输速率低等诸多问题，逐渐被磁隔离和芯片隔离替代。磁隔离是通过原次边两个线圈之间电磁感应进行隔离转换，可以做到高速传输信号，但容易受到磁场干扰，目前市场上大多数传感器都是采用磁隔离。对于小型电压传感器来说，采用磁隔离，传感器会因结构紧凑容易出现线圈伤线，输出信号较弱容易受到磁场干扰。芯片隔离是通过芯片内部的电容实现了原次边隔离，抗磁场干扰能力强，但普通的隔离芯片隔离方案绝缘耐压强度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种小型电压传感器电路，具有良好的抗磁场干扰能力和绝缘耐压强度。
该小型电压传感器电路包括：电阻网络电路、隔离运放N2、差分运算放大器N3；
所述电阻网络电路用于将测量信号按比例转化为低压信号输出，其输出端连接到隔离运放N2的输入端；所述隔离运放N2的输出端连接到差分运算放大器N3的输入端；所述差分运算放大器N3的输出端输出电压信号。
进一步地，所述电阻网络电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻Rz、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一磁珠Z1、第二磁珠Z2；
第一电阻R1的第一端为测量信号的第一输入端-HT；第一电阻R1的第二端连接到第一磁珠Z1的第一端；第一磁珠Z1的第二端连接到第三电阻R3的第一端；第三电阻R3的第二端连接到第七电阻R7的第一端；第七电阻R7的第二端连接到隔离运放N2的第一输入端；
第二电阻R2的第一端为测量信号的第二输入端+HT；第二电阻R2的第二端连接到第二磁珠Z2的第一端；第二磁珠Z2的第二端连接到第四电阻R4的第一端；第四电阻R4的第二端连接到第八电阻R8的第一端；第八电阻R8的第二端连接到隔离运放N2的第二输入端；
第三电阻R3的第一端通过第一电容C1接地，第二端通过第三电容C3接地；第四电阻R4的第一端通过第二电容C2接地，第二端通过第四电容C4接地；
第三电阻R3的第二端与第四电阻R4的第二端之间连接有第九电阻Rz；第三电阻R3的第二端连接到第五电阻R5的第一端；第五电阻R5的第二端通过第五电容C5接地；第四电阻R4的第二端连接到第六电阻R6的第一端；第六电阻R6的第二端通过第六电容C6接地；第五电阻R5的第二端和第六电阻R6的第二端加载有输入电压V1。
进一步地，所述电阻网络电路还包括：第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9；其中，第九电容C9设置在隔离运放N2的第一输入端与第二输入端之间；第七电阻R7的第二端通过第七电容C7接地；第八电阻R8的第二端通过第八电容C8接地。
进一步地，所述小型电压传感器电路还具有电源电路；所述电源电路包括：变压器TS1、变压器驱动器N1、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13；
所述变压器TS1具有第一原边线圈T1、第二原边线圈T2；第一原边线圈T1的第一端和第二原边线圈T2的第一端连接到供电电压VCC；第一原边线圈T1的第二端连接到变压器驱动器N1的第一输出端，第二原边线圈T2的第二端连接到变压器驱动器N1的第二输出端；变压器驱动器N1的第一输出端与第二输出端输出相位相反的方波信号；
变压器驱动器N1的第一输出端连接到第十电容C10的第一端；第十电容C10的第二端连接到第一二极管VD1的负极和第二二极管VD2的正极；第二二极管VD2的负极通过第十一电容C11连接到第一二极管VD1的正极；第二二极管VD2的负极接地；第一二极管VD1的正极形成有第一电源输出端V2；
变压器驱动器N1的第二输出端连接到第十二电容C12的第一端；第十二电容C12的第二端连接到第三二极管VD3的负极和第四二极管VD4的正极；第四二极管VD4的负极通过第十三电容C13接地；第三二极管VD3的正极连接到供电电压VCC；第四二极管VD4的负极形成有第二电源输出端V3；
第一电源输出端V2和第二电源输出端V3用于分别给差分运算放大器N3的正负电源供电。
进一步地，所述电源电路还包括：第五二极管VD5、第六二极管VD6、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、稳压器N4；
所述变压器TS1还具有第一次边线圈T3、第二次边线圈T4；第一次边线圈T3的第一端和第二次边线圈T4的第一端接地；第一次边线圈T3的第二端连接到第五二极管VD5的正极；第二次边线圈T4的第二端通过第十四电容C14连接到第六二极管VD6的正极；第五二极管VD5的负极和第六二极管VD6的负极共同连接到稳压器N4输入端；稳压器N4输入端通过第十五电容C15接地；稳压器N4的输出端通过并联的第十六电容C16、第十七电容C17接地；
稳压器N4的输出端形成有第三电源输出端VCC1；所述第三电源输出端VCC1用于为隔离运放N2供电。
进一步地，隔离运放N2的输入电路与输出电路之间的隔离层可承受长达一分钟的5kVRMS绝缘电压。
进一步地，所述变压器驱动器N1包括：用作电源开关的两个MOS管，两个MOS管设定为交替导通。
本发明提出一种小型电压传感器电路，原边测试高压信号直接经过传感器内部的电阻网络电路分压、再由隔离运放进行信号隔离转换，传递到次边电路，可以有效解决采用磁隔离方式带来的问题。本申请的技术方案可应用在小型电压传感器中，同时具有良好的抗磁场干扰能力和绝缘耐压强度。
附图说明
图1是本发明实施例中小型电压传感器电路的示意框图。
图2是本发明实施例中小型电压传感器电路的电路图。
图3是本发明实施例中电源电路的电路图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
参考图1和图2，该小型电压传感器电路包括：电阻网络电路、隔离运放N2、差分运算放大器N3；电阻网络电路用于将测量信号按比例转化为低压信号输出，其输出端连接到隔离运放N2的输入端；所述隔离运放N2的输出端连接到差分运算放大器N3的输入端；所述差分运算放大器N3的输出端输出电压信号。
高压的测量信号通过电阻网络电路进行分压得到相应比例的低压信号，低压信号进入隔离运放N2进行隔离放大后，由差分运放N3输出电压信号。
隔离运放N2是一种隔离式精密放大器，此放大器的输出与输入电路由抗电磁干扰性能极强的隔离层隔开，该隔离层可承受长达一分钟的5kVRMS绝缘电压。先将输入的模拟信号通过ΔΣ调制器转换为数字信号，然后通过隔离栅传输数字信号，在隔离栅的接收器侧，信号被解调回差分输出模拟信号。
差分运算放大器N3的输入端接隔离运放N2的输出端，在运放N3输出端得到输出电压，可反映测量信号实时大小及变化。
需要说明的是，本申请的方案可应用在结构紧凑的小型电压传感器中，使得小型电压传感器具有良好的抗磁场干扰能力和绝缘耐压强度。
在一些实施方式中，隔离运放N2的输入电路与输出电路之间的隔离层可承受长达一分钟的5kVRMS绝缘电压。
在一些实施方式中，隔离运放N2可为德州仪器的AMC1301。
在一些实施方式中，所述电阻网络电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻Rz、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一磁珠Z1、第二磁珠Z2；第一电阻R1的第一端为测量信号的第一输入端-HT；第一电阻R1的第二端连接到第一磁珠Z1的第一端；第一磁珠Z1的第二端连接到第三电阻R3的第一端；第三电阻R3的第二端连接到第七电阻R7的第一端；第七电阻R7的第二端连接到隔离运放N2的第一输入端；第二电阻R2的第一端为测量信号的第二输入端+HT；第二电阻R2的第二端连接到第二磁珠Z2的第一端；第二磁珠Z2的第二端连接到第四电阻R4的第一端；第四电阻R4的第二端连接到第八电阻R8的第一端；第八电阻R8的第二端连接到隔离运放N2的第二输入端；第三电阻R3的第一端通过第一电容C1接地，第二端通过第三电容C3接地；第四电阻R4的第一端通过第二电容C2接地，第二端通过第四电容C4接地；第三电阻R3的第二端与第四电阻R4的第二端之间连接有第九电阻Rz；第三电阻R3的第二端连接到第五电阻R5的第一端；第五电阻R5的第二端通过第五电容C5接地；第四电阻R4的第二端连接到第六电阻R6的第一端；第六电阻R6的第二端通过第六电容C6接地；第五电阻R5的第二端和第六电阻R6的第二端加载有输入电压V1。
需要说明的是，上述电阻网络电路用于将测量信号按比例转化为低压信号，作为隔离运放N2的输入。其中，第一磁珠Z1、第二磁珠Z2可用于抑制电磁干扰。
在一些实施方式中，所述电阻网络电路还包括：第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9；其中，第九电容C9设置在隔离运放N2的第一输入端与第二输入端之间；第七电阻R7的第二端通过第七电容C7接地；第八电阻R8的第二端通过第八电容C8接地。
需要说明的是，上述电容可用于滤波，以抑制和防止干扰。第九电阻Rz是可变电阻，用于调整采样电阻。第五电阻R5的第二端和第六电阻R6的第二端加载有输入电压V1可抬高采样信号电位，隔离运放N2是单电源供电，输入信号有一定的直流偏置能够消除放大器在0V时容易失真和线性度不好的问题。
参见图3，在一些实施方式中，所述小型电压传感器电路还具有电源电路；所述电源电路包括：变压器TS1、变压器驱动器N1、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13；所述变压器TS1具有第一原边线圈T1、第二原边线圈T2；第一原边线圈T1的第一端和第二原边线圈T2的第一端连接到供电电压VCC；第一原边线圈T1的第二端连接到变压器驱动器N1的第一输出端，第二原边线圈T2的第二端连接到变压器驱动器N1的第二输出端；变压器驱动器N1的第一输出端与第二输出端输出相位相反的方波信号；变压器驱动器N1的第一输出端连接到第十电容C10的第一端；第十电容C10的第二端连接到第一二极管VD1的负极和第二二极管VD2的正极；第二二极管VD2的负极通过第十一电容C11连接到第一二极管VD1的正极；第二二极管VD2的负极接地；第一二极管VD1的正极形成有第一电源输出端V2；变压器驱动器N1的第二输出端连接到第十二电容C12的第一端；第十二电容C12的第二端连接到第三二极管VD3的负极和第四二极管VD4的正极；第四二极管VD4的负极通过第十三电容C13接地；第三二极管VD3的正极连接到供电电压VCC；第四二极管VD4的负极形成有第二电源输出端V3；第一电源输出端V2和第二电源输出端V3用于分别给差分运算放大器N3的正负电源供电。
传感器供电电压经滤波后得到直流的供电电压VCC接入变压器TS1的中心抽头，即第一原边线圈T1的第一端和第二原边线圈T2的第一端；变压器TS1第一原边线圈T1的第二端，以及第二原边线圈T2的第二端分别产生相位相反的方波电压，经过整流后，得到第一电源输出端V2和第二电源输出端V3，分别用于给差分运算放大器N3的正负电源供电。
在一些实施方式中，所述电源电路还包括：第五二极管VD5、第六二极管VD6、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、稳压器N4；所述变压器TS1还具有第一次边线圈T3、第二次边线圈T4；第一次边线圈T3的第一端和第二次边线圈T4的第一端接地；第一次边线圈T3的第二端连接到第五二极管VD5的正极；第二次边线圈T4的第二端通过第十四电容C14连接到第六二极管VD6的正极；第五二极管VD5的负极和第六二极管VD6的负极共同连接到稳压器N4输入端；稳压器N4输入端通过第十五电容C15接地；稳压器N4的输出端通过并联的第十六电容C16、第十七电容C17接地；稳压器N4的输出端形成有第三电源输出端VCC1；所述第三电源输出端VCC1用于为隔离运放N2供电。
第一次边线圈T3、第二次边线圈T4输出的电流经过二极管整流、电容滤波、稳压器N4稳压之后调整为隔离运放N2原边工作时所需的直流电压VCC1。
需要说明的是，本申请的电源电路采用单电源供电，并采用变压器TS1进行隔离。
在一些实施方式中，所述变压器驱动器N1包括：用作电源开关的两个MOS管，两个MOS管设定为交替导通，以在第一输出端与第二输出端输出相位相反的方波信号。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种小型电压传感器电路，其特征在于，该小型电压传感器电路包括：电阻网络电路、隔离运放(N2)、差分运算放大器(N3)；
所述电阻网络电路用于将测量信号按比例转化为低压信号输出，其输出端连接到隔离运放(N2)的输入端；所述隔离运放(N2)的输出端连接到差分运算放大器(N3)的输入端；所述差分运算放大器(N3)的输出端输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的小型电压传感器电路，其特征在于，所述电阻网络电路包括：第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(Rz)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第一磁珠(Z1)、第二磁珠(Z2)；
第一电阻(R1)的第一端为测量信号的第一输入端(-HT)；第一电阻(R1)的第二端连接到第一磁珠(Z1)的第一端；第一磁珠(Z1)的第二端连接到第三电阻(R3)的第一端；第三电阻(R3)的第二端连接到第七电阻(R7)的第一端；第七电阻(R7)的第二端连接到隔离运放(N2)的第一输入端；
第二电阻(R2)的第一端为测量信号的第二输入端(+HT)；第二电阻(R2)的第二端连接到第二磁珠(Z2)的第一端；第二磁珠(Z2)的第二端连接到第四电阻(R4)的第一端；第四电阻(R4)的第二端连接到第八电阻(R8)的第一端；第八电阻(R8)的第二端连接到隔离运放(N2)的第二输入端；
第三电阻(R3)的第一端通过第一电容(C1)接地，第二端通过第三电容(C3)接地；第四电阻(R4)的第一端通过第二电容(C2)接地，第二端通过第四电容(C4)接地；
第三电阻(R3)的第二端与第四电阻(R4)的第二端之间连接有第九电阻(Rz)；第三电阻(R3)的第二端连接到第五电阻(R5)的第一端；第五电阻(R5)的第二端通过第五电容(C5)接地；第四电阻(R4)的第二端连接到第六电阻(R6)的第一端；第六电阻(R6)的第二端通过第六电容(C6)接地；第五电阻(R5)的第二端和第六电阻(R6)的第二端加载有输入电压(V1)。
3.根据权利要求2所述的小型电压传感器电路，其特征在于，所述电阻网络电路还包括：第七电容(C7)、第八电容(C8)、第九电容(C9)；其中，第九电容(C9)设置在隔离运放(N2)的第一输入端与第二输入端之间；第七电阻(R7)的第二端通过第七电容(C7)接地；第八电阻(R8)的第二端通过第八电容(C8)接地。
4.根据权利要求1所述的小型电压传感器电路，其特征在于，所述小型电压传感器电路还具有电源电路；所述电源电路包括：变压器(TS1)、变压器驱动器(N1)、第一二极管(VD1)、第二二极管(VD2)、第三二极管(VD3)、第四二极管(VD4)、第十电容(C10)、第十一电容(C11)、第十二电容(C12)、第十三电容(C13)；
所述变压器(TS1)具有第一原边线圈(T1)、第二原边线圈(T2)；第一原边线圈(T1)的第一端和第二原边线圈(T2)的第一端连接到供电电压(VCC)；第一原边线圈(T1)的第二端连接到变压器驱动器(N1)的第一输出端，第二原边线圈(T2)的第二端连接到变压器驱动器(N1)的第二输出端；变压器驱动器(N1)的第一输出端与第二输出端输出相位相反的方波信号；
变压器驱动器(N1)的第一输出端连接到第十电容(C10)的第一端；第十电容(C10)的第二端连接到第一二极管(VD1)的负极和第二二极管(VD2)的正极；第二二极管(VD2)的负极通过第十一电容(C11)连接到第一二极管(VD1)的正极；第二二极管(VD2)的负极接地；第一二极管(VD1)的正极形成有第一电源输出端(V2)；
变压器驱动器(N1)的第二输出端连接到第十二电容(C12)的第一端；第十二电容(C12)的第二端连接到第三二极管(VD3)的负极和第四二极管(VD4)的正极；第四二极管(VD4)的负极通过第十三电容(C13)接地；第三二极管(VD3)的正极连接到供电电压(VCC)；第四二极管(VD4)的负极形成有第二电源输出端(V3)；
第一电源输出端(V2)和第二电源输出端(V3)用于分别给差分运算放大器(N3)的正负电源供电。
5.根据权利要求4所述的小型电压传感器电路，其特征在于，所述电源电路还包括：第五二极管(VD5)、第六二极管(VD6)、第十四电容(C14)、第十五电容(C15)、第十六电容(C16)、第十七电容(C17)、稳压器(N4)；
所述变压器(TS1)还具有第一次边线圈(T3)、第二次边线圈(T4)；第一次边线圈(T3)的第一端和第二次边线圈(T4)的第一端接地；第一次边线圈(T3)的第二端连接到第五二极管(VD5)的正极；第二次边线圈(T4)的第二端通过第十四电容(C14)连接到第六二极管(VD6)的正极；第五二极管(VD5)的负极和第六二极管(VD6)的负极共同连接到稳压器(N4)输入端；稳压器(N4)输入端通过第十五电容(C15)接地；稳压器(N4)的输出端通过并联的第十六电容(C16)、第十七电容(C17)接地；
稳压器(N4)的输出端形成有第三电源输出端(VCC1)；所述第三电源输出端(VCC1)用于为隔离运放(N2)供电。
6.根据权利要求1所述的小型电压传感器电路，其特征在于，隔离运放(N2)的输入电路与输出电路之间的隔离层可承受长达一分钟的5kVRMS绝缘电压。
7.根据权利要求4所述的小型电压传感器电路，其特征在于，所述变压器驱动器(N1)包括：用作电源开关的两个MOS管，两个MOS管设定为交替导通。
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