CN111338272A - 差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，包括：高压采样电路、差分式二阶低通滤波电路、一阶RC滤波器和ESD二极管；高压采样电路包括正负两路采样分压电阻，正负两路的采样分压电阻的输入端分别连接外围高电压的正负极，输出端分别输出正电平信号和负电平信号；差分式二阶低通滤波电路的两输入端分别与正负两路的采样分压电阻的输出端相连，差分式二阶低通滤波电路的输出端与一阶RC滤波器相连；一阶RC滤波器与ESD二极管并联，并输出至DSP芯片的输入端口。通过本发明的技术方案，有效减少了交流信号的噪声，抑制了共模干扰，实现了对电路的多重保护，大大降低电压采集的成本。

Description

差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路。

背景技术

目前随着电力电子技术的发展，对于高电压、大电流的处理和控制都离不开电力电子技术，而采样电路对于整个系统来说至关重要，采集到的信号的准确程度直接会影响到输出控制效果。

数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到了迅速的发展。在过去的二十多年里，数字信号处理已经得到广泛应用。DSP芯片是能够实现数字信号处理技术的芯片。

滤波器是一种使有用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，数据传送、信息处理和抑制干扰等自动控制和其他电子系统中有广泛的应用。

但是，现有的采样电路并不能向DSP芯片提供准确的信号，噪声较多，滤波电路对电路中的噪声信号无法产生有效抑制，同时保护DSP芯片，且对于多通道的信号采样成本较高。

发明内容

针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，通过差分设计，有效减少交流信号的噪声，抑制共模干扰，在整个高压采样电路中采用多种滤波实现对电路的多重保护，同时采用多通道采样电路，大大降低电压采集的成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，包括：高压采样电路、差分式二阶低通滤波电路、一阶RC滤波器和ESD二极管；所述高压采样电路包括正负两路采样分压电阻，正负两路的所述采样分压电阻的输入端分别连接外围高电压的正负极，输出端分别输出正电平信号和负电平信号；所述差分式二阶低通滤波电路的两输入端分别与正负两路的所述采样分压电阻的输出端相连，所述差分式二阶低通滤波电路的输出端与所述一阶RC滤波器相连；所述一阶RC滤波器与所述ESD二极管并联，并输出至DSP芯片的输入端口。

在上述技术方案中，优选地，所述差分式二阶低通滤波电路包括运算放大器，所述运算放大器的正负两极输入端分别连接一阶滤波电路、二阶滤波电路和开关二极管，并与正负两路的所述采样分压电阻对应连接，所述运算放大器的输出端与所述一阶RC滤波器的电阻相连。

在上述技术方案中，优选地，与所述运算放大器的负电平信号输入端相连的所述一阶滤波电路和所述二阶滤波电路均为串联连接的电阻和电容，所述一阶滤波电路与所述二阶滤波电路的电阻相并联，所述一阶滤波电路的电阻一端分别与输出负电平信号的所述采样分压电阻、所述二阶滤波电路的电容以及所述开关二极管相连，所述一阶滤波电路的电阻另一端分别与所述一阶滤波电路的电容和所述运算放大器的负电平信号输入端相连，所述一阶滤波电路的电容分别与所述二阶滤波电路的电阻和所述运算放大器的输出端相连。

在上述技术方案中，优选地，与所述运算放大器的正电平信号输入端相连的所述二阶滤波电路为串联连接的电阻和电容，所述一阶滤波电路为并联连接的电阻和电容，所述二阶滤波电路的电容一端分别与所述二阶滤波电路的电阻和所述运算放大器的正电平信号输入端相连，另一端接地，所述二阶滤波电路的电阻的另一端分别与输出正电平信号的所述采样分压电阻、相并联的所述一阶滤波电路的电容和电阻以及所述开关二极管相连，相并联的所述一阶滤波电路的电容和电阻的另一端接地。

在上述技术方案中，优选地，所述开关二极管为LBA99WT1G，LBA99WT1G开关二极管的1脚和2脚分别连接正负电源，3脚与所述一阶滤波电路和所述二阶滤波电路相连。

在上述技术方案中，优选地，所述一阶RC滤波器为相串联的电阻和电容，所述一阶RC滤波器的电阻一端与所述差分式二阶低通滤波电路的输出端相连，另一端分别与所述一阶RC滤波器的电容、所述ESD二极管的I/O端以及所述DSP芯片的输入端口相连，所述一阶RC滤波器的电容另一端接地。

在上述技术方案中，优选地，所述ESD二极管的2脚直接连接REFGND，5脚通过预设数量的并联电容连接REFGND。

在上述技术方案中，优选地，所述ESD二极管包括4个I/O端，4个I/O端可分别连接四组所述一阶RC滤波器，四组所述一阶RC滤波器分别连接四组所述差分式二阶低通滤波电路及高压采样电路，以同时实现四通道高压采样。

在上述技术方案中，优选地，所述采样分压电阻为预设数量的高精度高阻值电阻串联而成。

在上述技术方案中，优选地，所述运算放大器分别连接+15V和-15V的电源电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过差分设计，有效减少交流信号的噪声，抑制共模干扰，在整个高压采样电路中采用多种滤波实现对电路的多重保护，同时采用多通道采样电路，大大降低电压采集的成本。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路的电路原理示意图；

图2为本发明一种实施例公开的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路的仿真电路示意图；

图3为图2所示实施例公开的仿真电路的示波器波形示意图；

图4为图2所示实施例公开的仿真电路的波特测试仪的波形示意图；

图5为图1所示实施例公开的四通道高压采样电路的电路原理示意图；

图6为图1所示实施例公开的其中一支差分式二阶低通滤波电路的电路原理示意图；

图7为图1所示实施例公开的四通道一阶RC滤波器的电路原理示意图；

图8为图1所示实施例公开的ESD二极管的电路原理示意图；

图9为本发明一种实施例公开的只连接单通道高压采样电路的电路连接示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，根据本发明提供的一种差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，包括：高压采样电路、差分式二阶低通滤波电路、一阶RC滤波器和ESD二极管；高压采样电路包括正负两路采样分压电阻，正负两路的采样分压电阻的输入端分别连接外围高电压的正负极，输出端分别输出正电平信号和负电平信号；差分式二阶低通滤波电路的两输入端分别与正负两路的采样分压电阻的输出端相连，差分式二阶低通滤波电路的输出端与一阶RC滤波器相连；一阶RC滤波器与ESD二极管并联，并输出至DSP芯片的输入端口。

如图2至图5所示，在该实施例中，高压采样电路通过采样分压电阻采集得到一对差分信号，分别为正电平信号和负电平信号，作为差分式二阶低通滤波电路的信号输入，差分式二阶低通滤波电路将输入信号中的高频部分吸收，通过固定频率段的低频信号，且滤除高频杂波信号，对DSP芯片提供具有纯正的信号。其中正电平信号通过电阻电容，最终连接到运算放大器TLV4170的正电平信号输入端；负电平信号通过电阻电容，最终连接到运算放大器TLV4170负电瓶信号输入端，通过运算放大器TLV4170的处理，最终两路差分信号输出连接一阶RC滤波器，并联上ESD二极管SRV05-4对DSP芯片进行保护，完成一系列处理后，最终进入DSP芯片的GPIO。

在上述实施例中，优选地，差分式二阶低通滤波电路包括运算放大器TLV4170，运算放大器的正负两极输入端分别连接一阶滤波电路、二阶滤波电路和开关二极管，并与正负两路的采样分压电阻对应连接，运算放大器的输出端与一阶RC滤波器的电阻相连。

在上述实施例中，优选地，开关二极管为LBA99WT1G，LBA99WT1G开关二极管的1脚和2脚分别连接正负电源，3脚与一阶滤波电路和二阶滤波电路相连。

以下以其中一个通道的高压采样电路为例，对差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路进行说明。

如图6所示，在上述实施例中，优选地，与运算放大器的负电平信号输入端相连的一阶滤波电路和二阶滤波电路均为串联连接的电阻和电容，一阶滤波电路与二阶滤波电路的电阻R2相并联，一阶滤波电路的电阻R6一端分别与输出负电平信号的采样分压电阻、二阶滤波电路的电容C2以及开关二极管相连，一阶滤波电路的电阻R6另一端分别与一阶滤波电路的电容C4和运算放大器TLV4170的负电平信号输入端相连，一阶滤波电路的电容C4分别与二阶滤波电路的电阻R2和运算放大器的输出端相连。

具体地，负电平信号连接到电阻R5的左端，R5的右端连接R6的左端，R6的右端连接TLV4170的正电平信号输入2脚，并连接滤波电容C4的左端，C4的右端连接运算放大器TLV4170的输出脚1脚。在R5的右端和R6的左端连接电容C2的右端，且连接开关二极管LBA99WT1G，这个脚和TLV4170的输出脚之间连接电阻R2，并在C2的左端接地。LBA99WT1G的2脚连接+15V电源，LBA99WT1G的1脚连接-15V电源。对于负电平信号，R6和C4构成一阶滤波电路，R2和C2构成二阶滤波电路，二阶滤波电路可以通过调节R的阻值和C的容值，计算出需求信号的截止频率，以及此电路中的取值。

在上述实施例中，优选地，与运算放大器的正电平信号输入端相连的二阶滤波电路为串联连接的电阻和电容，一阶滤波电路为并联连接的电阻和电容，二阶滤波电路的电容C8一端分别与二阶滤波电路的电阻R19和运算放大器的正电平信号输入端相连，另一端接地，二阶滤波电路的电阻R19的另一端分别与输出正电平信号的采样分压电阻、相并联的一阶滤波电路的电容C6和电阻R24以及开关二极管相连，相并联的一阶滤波电路的电容C6和电阻R24的另一端接地。

具体地，正电平信号连接到电阻R18的左端，R18的右端连接R19的左端，并连接C6和R24的右端以及开关二极管LBA99T1G，C6的左端和R24的左端接地。R19的右端连接TLV4170运算放大器的正电平信号输入端和C8的上端，C8下端连接GND。R24和C6构成输入信号的一阶滤波电路，R19和C8构成二阶滤波电路，对于正电平信号在进入TLV4170前的输入二阶滤波，最终在TLV4170的输出脚1脚上连接输出信号。

如图1所示，VIN2和VIN_2N、VIN3和VIN_3N以及VIN4和VIN_4N分别连接另外三个通道的高压采样电路，其中的元件及电路连接与上述VIN1和VIN_1N所连接通道的高压采样电路对应一致，在此不再赘述。

在上述实施例中，优选地，一阶RC滤波器为相串联的电阻和电容(R48与C20、R47与C17、R49与C19、R50与C18分别为4个通道的一阶RC滤波器的电阻和电容)，一阶RC滤波器的电阻一端与差分式二阶低通滤波电路的输出端相连，另一端分别与一阶RC滤波器的电容、ESD二极管的I/O端以及DSP芯片的输入端口相连，一阶RC滤波器的电容另一端接地。

在上述实施例中，优选地，ESD二极管的2脚直接连接REFGND，5脚通过预设数量的并联电容(C21、C22、C23、C24和C25)连接REFGND。

在上述实施例中，优选地，ESD二极管SRV05-4包括4个I/O端，4个I/O端可分别连接四组一阶RC滤波器，四组一阶RC滤波器分别连接四组差分式二阶低通滤波电路及高压采样电路，以能够同时实现四通道高压采样。ESD二极管SRV05-4具有低的钳位电压，将信号输入的电平钳位在DSP的工作电压范围之内，防止信号输入电压过高或者过低而烧毁DSP，从而起到保护DSP的作用。

在上述实施例中，优选地，采样分压电阻为预设数量的高精度高阻值电阻(R10、R11与R12，或R20、R21与R22，或R7、R8与R9，或R13、R14与R15，或R34、R35与R36，或R44、R45与R46，或R27、R28与R29，或R37、R38与R39)串联而成。

在上述实施例中，优选地，运算放大器分别连接+15V和-15V的电源电压。

根据上述实施例提供的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其差分滤波电路原理如下：

首先确定好放大倍数，也就是运算放大器的增益，这个放大倍数可以非常大，或者就是1。本发明采用的运算放大器的增益为-1，也就是放大倍数为1，相位相差180°。然后就是选择滤波器的类型和角频率。滤波器的类型和角频率决定带通增益。滤波器的类型有三种，巴特沃斯、切比雪夫和贝塞尔。本发明采用的是巴特沃斯滤波器。然后选择合适的用于正电平信号采样的一阶滤波电路和二阶滤波电路的电容C6和C8。通过给定的截止频率，带通增益，选择好的C6和C8，然后计算出R18、二阶滤波电路的电阻R19和用于负电平信号采样的二阶滤波电路的电阻R2的阻值。为了满足负荷要求，R2最小不能小于10K，在选择电阻的时候，因为计算值和标准电阻会有一定的偏差，可以有大约2.5％误差，接近计算值即可。

如图7所示为差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路在Multisim中的仿真电路，仿真电路中的输入信号模拟的是对于高压信号采样后的电平信号，使用黑线和示波器的1通道相连，并连接波特测试仪的IN。输出为差分式二阶滤波电路的输出，使用黑线和示波器的2通道相连，并连接波特测试仪的OUT。然后按照计算的结果设置好电阻电容的数值。使用万用表测量输出电平，显示电平有效值3V左右，这个信号通过RC滤波电路和钳位二极管会进入DSP。示波器波形如图8所示：设置的增益为-8.4，故输出波形为输入波形幅值的1/8左右，并且波形看起来光滑，没有毛刺。波特测试仪波形如图9所示：对于高频信号有着抑制功能，高频信号通过此滤波器的时候，幅值会衰减。通过以上分析，可以看出差分式二阶低通滤波电路对高频信号有着很强的滤除能力。

在连接二阶差分滤波电路时，通过精密设计每一个器件的参数，可以获得很精准的截止频率，也就非常好的滤除输入信号中的杂波，获得很纯正的，很好的输入信号，并且TLV4170具有多通道、增益范围宽等特点，会同时获取多路的高压电平信号，并将之处理，这将大大降低成本，只需要一个运算放大器芯片加一些外围的阻容，就可以获得多路纯净输入信号。差分式二阶低通滤波电路采用差分设计，差分放大器的好处在于能够使交流信号的噪声明显的减少，并且，差分放大器的设计就是为了抑制共模信号，抑制共模干扰，使输出端获得更加好的输入信号。此外，在DSP的I/O之前，还会有一级RC滤波器作为滤波电路和ESD二极管作为钳位电路，从输入信号进入到进入DSP芯片，有着多重滤波，多重保护电路，电路的设计考虑比较完善，在具体使用的过程中效果特别好，稳定性也非常好的。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，包括：高压采样电路、差分式二阶低通滤波电路、一阶RC滤波器和ESD二极管；

所述高压采样电路包括正负两路采样分压电阻，正负两路的所述采样分压电阻的输入端分别连接外围高电压的正负极，输出端分别输出正电平信号和负电平信号；

所述差分式二阶低通滤波电路的两输入端分别与正负两路的所述采样分压电阻的输出端相连，所述差分式二阶低通滤波电路的输出端与所述一阶RC滤波器相连；

所述一阶RC滤波器与所述ESD二极管并联，并输出至DSP芯片的输入端口。

2.根据权利要求1所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，所述差分式二阶低通滤波电路包括运算放大器，所述运算放大器的正负两极输入端分别连接一阶滤波电路、二阶滤波电路和开关二极管，并与正负两路的所述采样分压电阻对应连接，所述运算放大器的输出端与所述一阶RC滤波器的电阻相连。

3.根据权利要求2所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，与所述运算放大器的负电平信号输入端相连的所述一阶滤波电路和所述二阶滤波电路均为串联连接的电阻和电容，所述一阶滤波电路与所述二阶滤波电路的电阻相并联，所述一阶滤波电路的电阻一端分别与输出负电平信号的所述采样分压电阻、所述二阶滤波电路的电容以及所述开关二极管相连，所述一阶滤波电路的电阻另一端分别与所述一阶滤波电路的电容和所述运算放大器的负电平信号输入端相连，所述一阶滤波电路的电容分别与所述二阶滤波电路的电阻和所述运算放大器的输出端相连。

4.根据权利要求2所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，与所述运算放大器的正电平信号输入端相连的所述二阶滤波电路为串联连接的电阻和电容，所述一阶滤波电路为并联连接的电阻和电容，所述二阶滤波电路的电容一端分别与所述二阶滤波电路的电阻和所述运算放大器的正电平信号输入端相连，另一端接地，所述二阶滤波电路的电阻的另一端分别与输出正电平信号的所述采样分压电阻、相并联的所述一阶滤波电路的电容和电阻以及所述开关二极管相连，相并联的所述一阶滤波电路的电容和电阻的另一端接地。

5.根据权利要求3或4所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，所述开关二极管为LBA99WT1G，LBA99WT1G开关二极管的1脚和2脚分别连接正负电源，3脚与所述一阶滤波电路和所述二阶滤波电路相连。

6.根据权利要求1所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，所述一阶RC滤波器为相串联的电阻和电容，所述一阶RC滤波器的电阻一端与所述差分式二阶低通滤波电路的输出端相连，另一端分别与所述一阶RC滤波器的电容、所述ESD二极管的I/O端以及所述DSP芯片的输入端口相连，所述一阶RC滤波器的电容另一端接地。

7.根据权利要求6所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，所述ESD二极管的2脚直接连接REFGND，5脚通过预设数量的并联电容连接REFGND。

8.根据权利要求1所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，所述ESD二极管包括4个I/O端，4个I/O端可分别连接四组所述一阶RC滤波器，四组所述一阶RC滤波器分别连接四组所述差分式二阶低通滤波电路及高压采样电路，以同时实现四通道高压采样。

9.根据权利要求1所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，所述采样分压电阻为预设数量的高精度高阻值电阻串联而成。

10.根据权利要求2所述的差分式带二阶低通滤波的多通道高压采样电路，其特征在于，所述运算放大器分别连接+15V和-15V的电源电压。

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