CN110836998A - 一种电压传感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电压传感器电路，涉及传感器技术领域，电压传感器电路包括：采样电路、第一滤波电路、调制电路、第一变压器、解调电路、第二滤波电路；其中，采样电路用于将被测信号转换为等比例的低压信号；第一滤波电路用于滤除所述低压信号中的干扰信号；调制电路用于将第一滤波电路输出的信号调制成高频交流信号，并通过第一变压器传递到解调电路；其中，所述第一变压器的原边绕组与调制电路的输出端连接，副边绕组与解调电路的输入端连接；解调电路用于将输入的高频交流信号转换为与被测信号成比例的直流信号；所述直流信号经过第二滤波电路后形成输出信号。该电压传感器电路可减弱磁场干扰，并具有较高的绝缘耐压水平。

Description

一种电压传感器电路

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电压传感器电路。

背景技术

闭环霍尔电压传感器及磁通门传感器有一个共同的特点，需要使用高磁导率的材料作为磁芯，作用都是聚磁，磁导率越高，聚磁作用越好，漏磁越小，从而使传感器精度更高。具体来说，霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，例如，中国专利CN201810596463.7公开了一种基于霍尔磁平衡式电压传感器，包括铁芯，所述铁芯上绕制有原边线圈和次边线圈，所述铁芯中间设置有用以检测铁芯磁场的霍尔元件，通过霍尔元件构成反馈电路，还包括贴装在原边线圈上的热敏电阻，所述热敏电阻为负温度特性。霍尔传感器由于原理的限制，不可避免的需要聚磁，因而会对环境磁场较为敏感。另一方面，霍尔传感器经常会应用在高压大电流环境中，根据电磁感应定律，霍尔传感器所处环境除了被测信号的磁场外，同时也存在大量干扰磁场，由于霍尔传感器的特性，产品的精度相应会受到影响。

此外，随着系统级产品日益朝集成化、小型化方向设计，市场对传感器提出了同样的需求。同时由于系统产品的集成化设计，导致产品内部部件距离缩小，各部件之间的相互干扰越来越严重。

当环境中存在外来干扰磁场时，高磁导率的磁芯同样会聚集干扰磁场，从而将干扰信号引入到被测信号中，产品因而精度超标，严重时甚至会导致传感器工作异常。

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，提出一种电压传感器电路，可减弱磁场干扰，并具有较高的绝缘耐压水平。

该电压传感器电路包括：采样电路、第一滤波电路、调制电路、第一变压器、解调电路、第二滤波电路；采样电路用于将被测信号转换为等比例的低压信号；第一滤波电路用于滤除所述低压信号中的干扰信号；调制电路用于将第一滤波电路输出的信号调制成高频交流信号，并通过第一变压器传递到解调电路；其中，所述第一变压器的原边绕组与调制电路的输出端连接，副边绕组与解调电路的输入端连接；解调电路用于将输入的高频交流信号转换为与被测信号成比例的直流信号；所述直流信号经过第二滤波电路后形成输出信号。

进一步地，所述调制电路和解调电路均为CMOS多路模拟开关。

进一步地，所述电压传感器电路还包括有电源电路；所述电源电路包括：PWM信号发生器、第一整流器、第二整流器、推挽电路；其中，所述推挽电路包括：第一开关管、第二开关管、第二变压器；第一开关管、第二开关管连接到第二变压器的原边绕组；所述PWM信号发生器用于控制两开关管的通断，以在第二变压器的原边绕组中产生方波信号；

所述第一整流器的输入端与第二变压器的第一副边绕组连接，且其输出端输出的方波信号用于驱动调制电路；第二整流器的输入端与第二变压器的第二副边绕组连接，且其输出端输出的方波信号用于驱动解调电路。

进一步地，所述推挽电路还包括有：第一二极管、第二二极管、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻；PWM信号发生器的第一端口通过第一二极管连接到第一开关管，第二端口通过第二二极管连接到第二开关管；其中，第一二极管和第二二极管的正极接PWM信号发生器一端；第一三极管和第二三极管均为PNP型，其中，第一三极管的发射极接第一二极管的负极，集电极接接地，基极接第一二极管的正极；所述第一二极管的正极通过第一电阻接地；第二三极管的发射极接第二二极管的负极，集电极接地，基极接第二二极管的正极；所述第二二极管的正极通过第二电阻接地。

进一步地，所述电源电路还包括：压敏电阻、第一电容、第一电感、第二电感、整流桥、串联式直流稳压电路；其中，压敏电阻、第一电容连接在两电源输入端之间；第一电容的第一端通过第一电感连接到整流桥的第一输入端；第一电容的第二端通过第二电感连接到整流桥的第二输入端；整流桥的输出端连接到串联式直流稳压电路的输入端；串联式直流稳压电路输出端连接到PWM信号发生器。

进一步地，所述采样电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻；第三电阻的第一端为被测信号的第一输入端；第四电阻的第一端为被测信号的第二输入端；第五电阻和第六电阻并联在第三电阻第二端和第四电阻第二端之间。

进一步地，所述第一滤波电路包括有：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第一运算放大器、第二电容；第七电阻的第一端连第三电阻第二端，第二端通过第八电阻连接到第一运算放大器的反相输入端；第九电阻的第一端连第四电阻第二端，第二端通过第十电阻连接到第一运算放大器的同相输入端；第一运算放大器的输出端连接到第十一电阻的第一端，第十一电阻的第二端连接到调制电路的输入端；第二电容连接在第七电阻的第二端与第一运算放大器的输出端之间；第十二电阻连接在第七电阻的第二端与第十一电阻的第二端之间。

进一步地，所述第二滤波电路包括：第二运算放大器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、共模电感；第二运算放大器的反相输入端通过依次串联的第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻连接到解调电路的输出端；其中，第十五电阻的第一端与解调电路的输出端相连，第十三电阻的第一端与第二运算放大器的反相输入端相连；第十五电阻的第一端通过第三电容接地，第二端通过第四电容接地；第二运算放大器的同相输入端通过第十六电阻接地；第十七电阻的第一端与第二运算放大器的输出端相连，第二端与共模电感的第一输入端相连；第十八电阻连接在第十三电阻的第二端与第十七电阻的第二端之间；第五电容连接在第十三电阻的第二端与第二运算放大器的输出端之间；第六电容连接在所述共模电感的第一输入端与第二输入端之间；所述共模电感的第二输入端接地；所述共模电感的两输出端之间连接有第七电容；共模电感的两输出端为信号输出端。

进一步地，第一整流器和第二整流器为桥式整流电路。

进一步地，所述CMOS多路模拟开关具体为四通道模拟开关。

在本申请的技术方案中，电压传感器信号采用变压器进行隔离，利用低磁导率磁芯制作变压器进行隔离，可减弱磁场干扰，提高电压传感器的测量精度，同时具有较高的绝缘耐压水平，可适应于高压测试环境。

附图说明

图1是本发明一示例性实施例中电压传感器电路的示意框图。

图2是本发明一示例性实施例中电压传感器电路的电路图。

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，电压传感器电路包括：采样电路10、第一滤波电路20、调制电路30、第一变压器40、解调电路50、第二滤波电路60；其中，采样电路10用于将被测信号转换为等比例的低压信号；第一滤波电路20用于滤除所述低压信号中的干扰信号；调制电路30用于将第一滤波电路20输出的信号调制成高频交流信号，并通过第一变压器传递到解调电路50；其中，所述第一变压器的原边绕组与调制电路30的输出端连接，副边绕组与解调电路50的输入端连接；解调电路50用于将输入的高频交流信号转换为与被测信号成比例的直流信号；所述直流信号经过第二滤波电路60后形成输出信号。

具体地，电压传感器的高压的被测信号经过采样电路10之后转换为等比例的低压信号；低压信号经过第一滤波电路20滤除干扰信号；滤波后的信号被调制电路30调制成高频交流信号，然后通过第一变压器40传递到次边，高频交流信号经解调电路50后转换为与被测信号成一定比例的直流信号，该直流信号经第二滤波电路60后作为输出信号。

在本申请实施例中，电压传感器信号采用第一变压器40进行隔离，利用低磁导率磁芯制作变压器进行隔离，可减弱磁场干扰，提高电压传感器的测量精度。

需要说明的是，霍尔传感器的磁芯一般采用硅钢或坡莫合金等具有较高磁导率的材质作为磁芯，而变压器一般采用铁氧体，因而对外界磁场的敏感度不如硅钢或坡莫合金。

进一步地，若采用集成芯片隔离能够在结构上进一步缩小空间，但集成芯片比较难以做到较高的绝缘耐压水平，因而在高压环境下具有一定的应用风险。而本申请的电压传感器电路采用变压器进行隔离，可适应于高压测试环境。

在一些实施方式中，所述调制电路30和解调电路50均为CMOS多路模拟开关。

在一些实施方式中，所述CMOS多路模拟开关具体为四通道模拟开关。

需要说明的是，相比于其他调制方案，本申请通过多路模拟开关对电信号进行调制，具有成本上的优势。

在一些实施方式中，所述电压传感器电路还包括有电源电路70；所述电源电路70包括：PWM信号发生器U1、第一整流器U2、第二整流器U3、推挽电路72；其中，所述推挽电路72包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第二变压器T1；第一开关管Q1、第二开关管Q2连接到第二变压器T1的原边绕组；所述PWM信号发生器U1用于控制两开关管的通断，以在第二变压器T1的原边绕组中产生方波信号；第一整流器U2的输入端与第二变压器T1的第一副边绕组连接，且其输出端输出的方波信号用于驱动调制电路30；第二整流器U3的输入端与第二变压器T1的第二副边绕组连接，且其输出端输出的方波信号用于驱动解调电路50。

该推挽电路72为推挽式变压器开关电源，由于两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率。推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多。

PWM信号发生器U1用于产生PWM信号，以控制推挽电路72中的两个开关管的通断。

在一些实施方式中，第一整流器U2和第二整流器U3为桥式整流电路。

在一些实施方式中，所述推挽电路72还包括有：第一二极管D1、第二二极管D2、第一三极管Q3、第二三极管Q4、第一电阻R1、第二电阻R2；其中，PWM信号发生器U1的第一端口通过第一二极管D1连接到第一开关管Q1，第二端口通过第二二极管D2连接到第二开关管Q2；其中，第一二极管D1和第二二极管D2的正极接PWM信号发生器U1一端；第一三极管Q3和第二三极管Q4均为PNP型，其中，第一三极管Q3的发射极接第一二极管D1的负极，集电极接接地，基极接第一二极管D1的正极；所述第一二极管D1的正极通过第一电阻R1接地；第二三极管Q4的发射极接第二二极管D2的负极，集电极接地，基极接第二二极管D2的正极；所述第二二极管D2的正极通过第二电阻R2接地。

在一些实施方式中，所述电源电路70还包括：压敏电阻Z1、第一电容C1、第一电感L1、第二电感L2、整流桥U4、串联式直流稳压电路71；其中，压敏电阻Z1、第一电容C1连接在两电源输入端VCC+、VCC-之间；第一电容C1的第一端通过第一电感L1连接到整流桥U4的第一输入端；第一电容C1的第二端通过第二电感L2连接到整流桥U4的第二输入端；整流桥U4的输出端连接到串联式直流稳压电路71的输入端；串联式直流稳压电路71输出端连接到PWM信号发生器U1。

需要说明的是，由于设置有整流桥U4，外部输入电源，即两电源输入端VCC+、VCC-可同时适应于交流输入和直流输入。

压敏电阻Z1可用于防止浪涌和滤除差模干扰信号；第一电容C1、第一电感L1、第二电感L2用于滤波；串联式直流稳压电路71为射极跟随器稳压电路，用于稳压。串联式直流稳压电路71输出端连接到PWM信号发生器U1。

在一些实施方式中，所述采样电路10包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；其中，第三电阻R3的第一端为被测信号的第一输入端；第四电阻R4的第一端为被测信号的第二输入端；第五电阻R5和第六电阻R6并联在第三电阻R3第二端和第四电阻R4第二端之间。该采样电路10用于将被测信号转换为等比例的低压信号。

在一些实施方式中，第一滤波电路20包括有：第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第一运算放大器U5、第二电容C2；其中，第七电阻R7的第一端连第三电阻R3第二端，第二端通过第八电阻R8连接到第一运算放大器U5的反相输入端；第九电阻R9的第一端连第四电阻R4第二端，第二端通过第十电阻R10连接到第一运算放大器U5的同相输入端；第一运算放大器U5的输出端连接到第十一电阻R11的第一端，第十一电阻R11的第二端连接到调制电路30的输入端；第二电容C2连接在第七电阻R7的第二端与第一运算放大器U5的输出端之间；第十二电阻R12连接在第七电阻R7的第二端与第十一电阻R11的第二端之间。第一滤波电路20用于滤除所述低压信号中的干扰信号。

在在本申请实施例中，还包括有第一反相器U7、第一反相器U8，用于驱动CMOS四通道开关进行调制。

如图2所示，被测信号的电压为V0，第一滤波电路20的输出电压为V1，采用CMOS四通道开关进行调制，CMOS四通道开关使用反相器进行控制，具体逻辑如下：当反相器输出脚为低电平时，CMOS四通道开关的1通道、4通道断开，2通道、3通道闭合，端口S1、端口S4无输出，端口S2输出0，S3输出V1，第一变压器40的输入信号为V1的反相信号，当反相器输出脚为高电平时，CMOS四通道开关的1通道、4通道闭合，2通道、3通道断开，S1输出V1，S4输出0，S2、S3无输出，第一变压器40的输入信号为V1。如此周期变化，直流信号即被调制为占空比50％的交流信号。解调电路与调制电路类似，为调制电路的逆逻辑，解调后输出直流信号V1，最后经过第二滤波电路60后输出信号为Vout。

在一些实施方式中，第二滤波电路60包括：第二运算放大器U6、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、共模电感L3；其中，第二运算放大器U6的反相输入端通过依次串联的第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15连接到解调电路50的输出端；其中，第十五电阻R15的第一端与解调电路50的输出端相连，第十三电阻R13的第一端与第二运算放大器U6的反相输入端相连；第十五电阻R15的第一端通过第三电容C3接地，第二端通过第四电容C4接地；第二运算放大器U6的同相输入端通过第十六电阻R16接地；第十七电阻R17的第一端与第二运算放大器U6的输出端相连，第二端与共模电感L3的第一输入端相连；第十八电阻R18连接在第十三电阻R13的第二端与第十七电阻R17的第二端之间；第五电容C5连接在第十三电阻R13的第二端与第二运算放大器U6的输出端之间；第六电容C6连接在所述共模电感L3的第一输入端与第二输入端之间；所述共模电感L3的第二输入端接地；所述共模电感L3的两输出端之间连接有第七电容C7；共模电感L3的两输出端为信号输出端。其中，共模电感L3以及其他电容均用于滤波。

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 (10)

1.一种电压传感器电路，其特征在于，所述电压传感器电路包括：采样电路、第一滤波电路、调制电路、第一变压器、解调电路、第二滤波电路；

所述采样电路用于将被测信号转换为等比例的低压信号；

所述第一滤波电路用于滤除所述低压信号中的干扰信号；

所述调制电路用于将第一滤波电路输出的信号调制成高频交流信号，并通过第一变压器传递到解调电路；其中，所述第一变压器的原边绕组与调制电路的输出端连接，副边绕组与解调电路的输入端连接；

所述解调电路用于将输入的高频交流信号转换为与被测信号成比例的直流信号；所述直流信号经过第二滤波电路后形成输出信号。

2.根据权利要求1所述的电压传感器电路，其特征在于，所述调制电路和解调电路均为CMOS多路模拟开关。

3.根据权利要求2所述的电压传感器电路，其特征在于，所述电压传感器电路还包括有电源电路；所述电源电路包括：PWM信号发生器、第一整流器、第二整流器、推挽电路；其中，所述推挽电路包括：第一开关管、第二开关管、第二变压器；

第一开关管、第二开关管连接到第二变压器的原边绕组；所述PWM信号发生器用于控制两开关管的通断，以在第二变压器的原边绕组中产生方波信号；

所述第一整流器的输入端与第二变压器的第一副边绕组连接，且其输出端输出的方波信号用于驱动调制电路；

所述第二整流器的输入端与第二变压器的第二副边绕组连接，且其输出端输出的方波信号用于驱动解调电路。

4.根据权利要求3所述的电压传感器电路，其特征在于，所述推挽电路还包括有：第一二极管、第二二极管、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻；

所述PWM信号发生器的第一端口通过第一二极管连接到第一开关管，第二端口通过第二二极管连接到第二开关管；其中，第一二极管和第二二极管的正极接PWM信号发生器一端；

所述第一三极管和第二三极管均为PNP型，其中，第一三极管的发射极接第一二极管的负极，集电极接接地，基极接第一二极管的正极；所述第一二极管的正极通过第一电阻接地；

所述第二三极管的发射极接第二二极管的负极，集电极接地，基极接第二二极管的正极；所述第二二极管的正极通过第二电阻接地。

5.根据权利要求3所述的电压传感器电路，其特征在于，所述电源电路还包括：压敏电阻、第一电容、第一电感、第二电感、整流桥、串联式直流稳压电路；

其中，压敏电阻、第一电容连接在两电源输入端之间；第一电容的第一端通过第一电感连接到整流桥的第一输入端；第一电容的第二端通过第二电感连接到整流桥的第二输入端；整流桥的输出端连接到串联式直流稳压电路的输入端；串联式直流稳压电路输出端连接到PWM信号发生器。

6.根据权利要求1所述的电压传感器电路，其特征在于，所述采样电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻；

所述第三电阻的第一端为被测信号的第一输入端；第四电阻的第一端为被测信号的第二输入端；第五电阻和第六电阻并联在第三电阻第二端和第四电阻第二端之间。

7.根据权利要求6所述的电压传感器电路，其特征在于，所述第一滤波电路包括有：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第一运算放大器、第二电容；

所述第七电阻的第一端连第三电阻第二端，第二端通过第八电阻连接到第一运算放大器的反相输入端；

所述第九电阻的第一端连第四电阻第二端，第二端通过第十电阻连接到第一运算放大器的同相输入端；

所述第一运算放大器的输出端连接到第十一电阻的第一端，第十一电阻的第二端连接到调制电路的输入端；第二电容连接在第七电阻的第二端与第一运算放大器的输出端之间；第十二电阻连接在第七电阻的第二端与第十一电阻的第二端之间。

8.根据权利要求1所述的电压传感器电路，其特征在于，所述第二滤波电路包括：第二运算放大器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、共模电感；

所述第二运算放大器的反相输入端通过依次串联的第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻连接到解调电路的输出端；其中，第十五电阻的第一端与解调电路的输出端相连，第十三电阻的第一端与第二运算放大器的反相输入端相连；第十五电阻的第一端通过第三电容接地，第二端通过第四电容接地；第二运算放大器的同相输入端通过第十六电阻接地；

所述第十七电阻的第一端与第二运算放大器的输出端相连，第二端与共模电感的第一输入端相连；第十八电阻连接在第十三电阻的第二端与第十七电阻的第二端之间；第五电容连接在第十三电阻的第二端与第二运算放大器的输出端之间；

第六电容连接在所述共模电感的第一输入端与第二输入端之间；所述共模电感的第二输入端接地；所述共模电感的两输出端之间连接有第七电容；

所述共模电感的两输出端为信号输出端。

9.根据权利要求3所述的电压传感器电路，其特征在于，第一整流器和第二整流器为桥式整流电路。

10.根据权利要求2所述的电压传感器电路，其特征在于，所述CMOS多路模拟开关具体为四通道模拟开关。

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