CN111800097A - 一种交直流信号隔离放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交直流信号隔离放大电路，应用变压器耦合的全新设计结构，能够针对任意波形信号，尤其是幅度不一的多种直流信号，执行隔离放大处理，其中通过变压器输入输出的绝缘设计，实现了高隔离等级的绝缘强度，满足医疗或者工业上的高隔离性要求；并且通过变压器的匝比控制，能够灵活调整针对信号的放大倍数，满足信号的功率放大要求，此外设计最终实现双极性信号的输出，使得结果应用更加灵活，有效提高了信号隔离放大的工作效率；与此同时，本发明所设计电路为闭环电路，系统可以实时监控输出，安全性高；因此，本发明设计特别适合于要求高抗扰性和高隔离性的行业和场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种交直流信号隔离放大电路，属于电子电路技术领域。
背景技术
在工业控制领域或者医疗电子领域，对于信号的可靠性和安全性均有较高要求，当工业控制系统收到外界的较强的干扰，如静电，浪涌，电磁辐射，串扰等，可使系统出现预期外的误动作，轻者控制失灵，重则出现安全事故。小信号容易收到干扰，而经过放大的大信号抗干扰性明显增加，并且经过隔离后的信号，因为失去了耦合的电源路径而使可靠性进一步增强。
医疗电子设备由于直接或者间接应用于人体，所以对于安全性有着极高的要求，甚至在国家或者行业标准中，直接规定设备的输出信号需要和非安全电压之间要保证足够的绝缘等级，比如生物刺激反馈仪，医用除颤仪等医用治疗设备，都是直接输出功率信号给人体，如果信号没有经过隔离和功率放大，设备出现故障或者受到外界干扰，外界非预期电压输入的时候，系统可能出现异常输出，危害患者和操作者的人身安全。
如专利号CN109905023A直流电压隔离转换电路的发明专利公开的电路方案中，取样得到的信号经过运算放大器采集、放大，传输至线性光耦输入端，保证隔离放大后的信号和输入的信号值基本相同。该方案主要通过线性光耦器件实现隔离，通过运算放大器进行一级放大。
如专利号CN110868167A直流电压隔离放大器的发明专利公开的电路方案中，信号经过缓冲模块进行阻抗变换和钳位后，输入电压/电流转换电路变成电流信号，然后进入零磁通隔离模块进行隔离输出，输出的信号经过电流/电压信号转换电路后，重新变成电压信号输出。该方案主要通过零磁通隔离模块进行信号隔离和放大。零磁通隔离模块利用电流互感器原理将输入的信号按比例隔离放大输出。
如徐志跃发表在实验技术与管理文献中的文章《隔离放大器及其应用》中所述，目前可以实现信号隔离放大的技术方案有以下几种，变压器耦合、光电耦合和电容耦合，各有优缺点。
上述现有技术，基本上是使用线性光耦或者使用零磁通隔离模块的方式进行隔离和放大，显而易见，这种类型的现有技术无法实现功率信号的隔离放大输出，受限于现有半导体模块的体积限制，隔离电压无法做到很高，只适合隔离放大小信号，同时对于输入的信号的波形和幅度有限制和要求，无法实现任意波形信号的输入隔离放大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种交直流信号隔离放大电路，采用全新设计结构，能够针对任意波形信号进行隔离放大处理，不仅实现高隔离等级的绝缘强度，而且能够灵活调整放大倍数，满足信号的功率放大要求，提高信号隔离放大的工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种交直流信号隔离放大电路，用于针对目标模拟波形信号实现隔离放大，包括嵌入式处理器单元、DA处理单元、调制单元、功率放大单元、解调单元；
其中，嵌入式处理器单元的输出端对接DA处理单元的输入端，嵌入式处理器单元的输出端用于输出目标模拟波形信号的数字采样信号，由DA处理单元将数字采样信号转换为模拟信号，并进行输出；同时，嵌入式处理器单元的控制端对接调制单元的输入端，由嵌入式处理器单元向调制单元输出调制信号；
功率放大单元的两个输入端分别对接DA处理单元的输出端、调制单元的输出端，功率放大单元在调制单元的调制作用下，针对模拟信号进行隔离与放大处理，获得目标隔离放大信号，并进行输出；
功率放大单元的输出端对接解调单元的输入端，由解调单元针对目标隔离放大信号进行解调处理，获得与目标模拟波形信号波形一致的模拟波形结果信号，并进行输出，即完成对目标模拟波形信号的隔离放大。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括输出信号检测单元；所述解调单元的输出端对接输出信号检测单元的输入端，输出信号检测单元的输出端对接所述嵌入式处理器单元的信号反馈端，由输出信号检测单元用于针对模拟波形结果信号进行采样，获得模拟波形结果信号的采样信号，并将采样信号反馈至嵌入式处理器单元，由嵌入式处理器单元根据采样信号针对目标模拟波形信号的数字采样信号、以及发送至调制单元的调制信号进行控制。
作为本发明的一种优选技术方案：所述嵌入式处理器单元包括嵌入式处理器U1，以及与嵌入式处理器U1相连接的时钟电路、复位电路；时钟信号包括有源晶振U2和电容C1，其中，有源晶振U2的VDD端与电容C1的其中一端相连，且该相连位置连接供电电压；有源晶振U2的接地端与电容C1的另一端相连，且该相连位置接地；有源晶振U2的O/P端对接嵌入式处理器U1的时钟输入端；
复位电路包括电阻R1、电阻R2、电容C2，其中，电阻R1的其中一端接地，电阻R1的另一端对接嵌入式处理器U1的复位端，电容C2的其中一端接地，电容C2的另一端串联电阻R2后连接供电电压，电容C2与电阻R2之间相连位置对接嵌入式处理器U1的异步复位端；
嵌入式处理器U1的电源端连接供电电压，嵌入式处理器U1的电源接地端接地；嵌入式处理器U1的任意三个IO端构成嵌入式处理器单元对接DA处理单元的输出端；嵌入式处理器U1的定时器端口构成嵌入式处理器单元对接调制单元的控制端；嵌入式处理器U1的AD输入端口构成嵌入式处理器单元对接输出信号检测单元的信号反馈端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述DA处理单元包括DA芯片U3、电阻R3、电容C3、电容C4，其中，DA芯片U3的SCLK端、DIN端、SYNC端构成DA处理单元对接嵌入式处理器单元的输入端；DA芯片U3的电源端、电容C3的其中一端、电容C4的其中一端三者相连，且该相连位置连接供电电压；电容C3的另一端、电容C4的另一端彼此相连，并接地；DA芯片U3的接地端接地；DA芯片U3的输出端串联电阻R3后构成DA处理单元的输出端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述功率放大单元包括变压器T1、P型MOS管Q1、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R4、电阻R5；
其中，P型MOS管Q1的源极与电容C8的其中一端相连，且该相连位置连接供电电压；电容C8的另一端接地；P型MOS管Q1的栅极、电容C7的其中一端相连、电阻R5的其中一端三者相连接；电容C7的另一端接地；电阻R5的另一端构成功率放大单元对接DA处理单元的输入端；P型MOS管Q1的漏极对接电阻R4的其中一端，电阻R4的另一端分别对接电容C5的其中一端、电容C6的其中一端、变压器T1其中一侧线圈的中间抽头，且变压器T1该侧线圈的两端、以及中间抽头构成功率放大单元对接调制单元的输入端；电容C5的另一端、电容C6的另一端分别接地；变压器T1另一侧线圈的中间抽头接地；变压器T1另一侧线圈的两端构成功率放大单元的输出端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述调制单元包括结构相同的两个子调制单元，各子调制单元分别均包括N型MOS管Q2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C9；
各子调制单元结构中：电阻R7与电阻R8相互并联，且该并联结构的其中一端对接N型MOS管Q2的源极，该并联结构的另一端接地；N型MOS管Q2的栅极对接电阻R6的其中一端，电阻R6的另一端构成子调制单元的输入端；N型MOS管Q2的漏极构与电容C9的其中一端相连接，且该相连接位置构成子调制单元的输出端；
两个子调制单元的输入端构成调制单元对接嵌入式处理器单元的输入端；两个子调制单元中电容C9的另一端彼此相连接，且该相连接位置、以及各子调制单元的输出端构成调制单元对接功率放大单元的输出端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各MOS管上的源极与漏极之间分别连接快速恢复二极管。
作为本发明的一种优选技术方案：所述解调单元包括光耦U4、光耦U5、压敏电阻RV1、电阻R9、电阻R10、电容C10、电容C11、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；
其中，二极管D1与二极管D2彼此串联，二极管D3与二极管D4彼此串联，二极管D1与二极管D2之间相连位置、以及二极管D3与二极管D4之间相连位置构成解调单元对接功率放大单元的输入端；电阻R9、电容C10、电容C11、电阻R10依次串联，该串联结构、压敏电阻RV1、以及两组二极管串联结构四者相并联；该并联结构的两端分别对接光耦U4的其中一信号端、光耦U5的其中一信号端；光耦U4的另一信号端、光耦U5的另一信号端、以及电容C10与电容C11之间相连位置三者相连接，构成解调单元的输出端；光耦U4与光耦U5接收控制信号实现交替打开。
作为本发明的一种优选技术方案：所述解调单元还包括电容C15，所述电容C10与所述电容C11之间相连位置串联电容C15后接地。
作为本发明的一种优选技术方案：所述输出信号检测单元包括线性光耦隔离器U6、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C12、电容C13、电容C14；
其中，电阻R13、电阻R14、电阻R15依次串联，电阻R15上背向电阻R14的一端接地，电阻R13与电阻R14之间相连位置构成输出信号检测单元的输入端，电阻R13上背向电阻R14的一端、电容C14的其中一端、线性光耦隔离器U6的正向输入端三者相连接，电容C14的另一端接地；线性光耦隔离器U6上的负向输入端与输入侧接地端相连、并接地；线性光耦隔离器U6输入侧电压端分别对接供电电压、电容C13的其中一端，电容C13的另一端接地；线性光耦隔离器U6的输出侧电压端分别对接供电电压、电容C12的其中一端，电容C12的另一端接地；线性光耦隔离器U6的输出侧接地端接地；线性光耦隔离器U6的正向输出端、负向输出端分别串联电阻R11、电阻R12后，构成输出信号检测单元对接嵌入式处理器单元的输出端。
本发明所述一种交直流信号隔离放大电路，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计交直流信号隔离放大电路，应用变压器耦合的全新设计结构，能够针对任意波形信号，尤其是幅度不一的多种直流信号，执行隔离放大处理，其中通过变压器输入输出的绝缘设计，实现了高隔离等级的绝缘强度，满足医疗或者工业上的高隔离性要求；并且通过变压器的匝比控制，能够灵活调整针对信号的放大倍数，满足信号的功率放大要求，此外设计最终实现双极性信号的输出，使得结果应用更加灵活，有效提高了信号隔离放大的工作效率；与此同时，本发明所设计电路为闭环电路，系统可以实时监控输出，安全性高；因此，本发明设计特别适合于要求高抗扰性和高隔离性的行业和场合。
附图说明
图1是本发明所设计交直流信号隔离放大电路的模块示意图；
图2是本发明所设计交直流信号隔离放大电路的信号处理流程示意图；
图3是本发明所设计中嵌入式处理器单元的电路示意图；
图4是本发明所设计中DA处理单元的电路示意图；
图5是本发明所设计中功率放大单元的电路示意图；
图6是本发明所设计中调制单元的电路示意图；
图7是本发明所设计中解调单元的电路示意图；
图8是本发明所设计中输出信号检测单元的电路示意图；
图9是本发明设计应用的波形转换示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所设计一种交直流信号隔离放大电路，用于针对目标模拟波形信号实现隔离放大，如图1所示，包括嵌入式处理器单元、DA处理单元、调制单元、功率放大单元、解调单元、输出信号检测单元。
如图2所示，嵌入式处理器单元的输出端对接DA处理单元的输入端，嵌入式处理器单元的输出端用于输出目标模拟波形信号的数字采样信号，由DA处理单元将数字采样信号转换为模拟信号，并进行输出；同时，嵌入式处理器单元的控制端对接调制单元的输入端，由嵌入式处理器单元向调制单元输出调制信号。
功率放大单元的两个输入端分别对接DA处理单元的输出端、调制单元的输出端，功率放大单元在调制单元的调制作用下，针对模拟信号进行隔离与放大处理，获得目标隔离放大信号，并进行输出。
功率放大单元的输出端对接解调单元的输入端，由解调单元针对目标隔离放大信号进行解调处理，获得与目标模拟波形信号波形一致的模拟波形结果信号，并进行输出，即完成对目标模拟波形信号的隔离放大。
解调单元的输出端对接输出信号检测单元的输入端，输出信号检测单元的输出端对接所述嵌入式处理器单元的信号反馈端，由输出信号检测单元用于针对模拟波形结果信号进行采样，获得模拟波形结果信号的采样信号，并将采样信号反馈至嵌入式处理器单元，由嵌入式处理器单元根据采样信号针对目标模拟波形信号的数字采样信号、以及发送至调制单元的调制信号进行控制。
本发明所设计交直流信号隔离放大电路，通过嵌入式处理器单元、DA处理单元、调制单元、功率放大单元、解调单元、输出信号检测单元形成闭环控制，让系统可以实时监控输出波形是否符合要求，保证安全输出。
实际应用当中，如图3所示，嵌入式处理器单元包括嵌入式处理器U1，以及与嵌入式处理器U1相连接的时钟电路、复位电路；具体实施中，嵌入式处理器单元所用的嵌入式处理器U1为ST公司（意法半导体）的STM32F103C8T6,该处理器为32位微处理器，主频48M，功能强大，满足系统要求。
时钟信号包括有源晶振U2和电容C1，其中，有源晶振U2的VDD端与电容C1的其中一端相连，且该相连位置连接供电电压；有源晶振U2的接地端与电容C1的另一端相连，且该相连位置接地；有源晶振U2的O/P端对接嵌入式处理器U1的时钟输入端，为嵌入式处理器U1提供可靠的时钟信号。
复位电路包括电阻R1、电阻R2、电容C2，其中，电阻R1的其中一端接地，电阻R1的另一端对接嵌入式处理器U1的复位端，电容C2的其中一端接地，电容C2的另一端串联电阻R2后连接供电电压，电容C2与电阻R2之间相连位置对接嵌入式处理器U1的异步复位端，实际应用中，上电瞬间执行复位操作。
嵌入式处理器U1的电源端连接供电电压，嵌入式处理器U1的电源接地端接地；嵌入式处理器U1的任意三个IO端构成嵌入式处理器单元对接DA处理单元的输出端，通过模拟IIC总线的方式与DA处理单元进行通信；嵌入式处理器U1的定时器端口构成嵌入式处理器单元对接调制单元的控制端；嵌入式处理器U1的AD输入端口构成嵌入式处理器单元对接输出信号检测单元的信号反馈端。
如图4所示，DA处理单元包括DA芯片U3、电阻R3、电容C3、电容C4，实际应用中，DA芯片U3在具体应用中为AD5621芯片，为ADI公司的一款12位精度的DA芯片；其中，DA芯片U3的SCLK端、DIN端、SYNC端构成DA处理单元对接嵌入式处理器单元的输入端，嵌入式处理器单元发送符合通信协议的目标模拟波形信号的数字采样信号给该DA芯片U3；DA芯片U3的电源端、电容C3的其中一端、电容C4的其中一端三者相连，且该相连位置连接供电电压；电容C3的另一端、电容C4的另一端彼此相连，并接地；DA芯片U3的接地端接地；DA芯片U3的输出端串联电阻R3后构成DA处理单元的输出端，由DA芯片U3输出对应的模拟波形信号。
如图5所示，功率放大单元包括变压器T1、P型MOS管Q1、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R4、电阻R5；实际应用中，P型MOS管Q1工作在放大区，注意不是工作在截止区，P型MOS管Q1的源极与电容C8的其中一端相连，且该相连位置连接供电电压；电容C8的另一端接地；P型MOS管Q1的栅极、电容C7的其中一端相连、电阻R5的其中一端三者相连接；电容C7的另一端接地；电阻R5的另一端构成功率放大单元对接DA处理单元的输入端；P型MOS管Q1的漏极对接电阻R4的其中一端，电阻R4的另一端分别对接电容C5的其中一端、电容C6的其中一端、变压器T1其中一侧线圈的中间抽头，且变压器T1该侧线圈的两端、以及中间抽头构成功率放大单元对接调制单元的输入端；电容C5的另一端、电容C6的另一端分别接地；变压器T1另一侧线圈的中间抽头接地；变压器T1另一侧线圈的两端构成功率放大单元的输出端，如此通过变压器T1针对信号进行隔离放大。
如图6所示，调制单元包括结构相同的两个子调制单元，各子调制单元分别均包括N型MOS管Q2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C9；各子调制单元结构中：电阻R7与电阻R8相互并联，且该并联结构的其中一端对接N型MOS管Q2的源极，该并联结构的另一端接地；N型MOS管Q2的栅极对接电阻R6的其中一端，电阻R6的另一端构成子调制单元的输入端；N型MOS管Q2的漏极构与电容C9的其中一端相连接，且该相连接位置构成子调制单元的输出端。
两个子调制单元的输入端构成调制单元对接嵌入式处理器单元的输入端，这里调制单元的输入端具体对接嵌入式处理器U1的定时器接口，由嵌入式处理器U1的定时器接口向调制单元输出一个us信号，分别进入两个子调制单元，使得变压器T1工作在一个固定的频率，该频率由嵌入式处理器U1的定时器的信号决定，比如信号是10us，该频率是f=1/T，T=10us，f=100K，即变压器T1的工作频率维持在100K；变压器作为一个定频器件，不适合在很宽的频率范围内使用，只要低于100K的信号，无论是直流或者交流信号，均可以通过这种调制的方式通过该隔离变压器进行隔离和放大。放大倍数和变压器的匝比相等。
两个子调制单元中电容C9的另一端彼此相连接，且该相连接位置、以及各子调制单元的输出端构成调制单元对接功率放大单元的输出端，实际实施中，两个子调制单元之间相连位置对接功率放大单元上对应调制单元的输入端中线圈上的中间抽头，各子调制单元的输出端分别对接功率放大单元上对应调制单元的输入端中线圈的两端。
实际应用当中，对于P型MOS管Q1、以及两个子调制单元中的N型MOS管Q2，各MOS管上的源极与漏极之间均分别设计连接快速恢复二极管。
如图7所示，解调单元包括光耦U4、光耦U5、压敏电阻RV1、电阻R9、电阻R10、电容C10、电容C11、电容C15、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；其中，二极管D1与二极管D2彼此串联，二极管D3与二极管D4彼此串联，二极管D1与二极管D2之间相连位置、以及二极管D3与二极管D4之间相连位置构成解调单元对接功率放大单元的输入端；电阻R9、电容C10、电容C11、电阻R10依次串联，该串联结构、压敏电阻RV1、以及两组二极管串联结构四者相并联；该并联结构的两端分别对接光耦U4的其中一信号端、光耦U5的其中一信号端；光耦U4的另一信号端、光耦U5的另一信号端、以及电容C10与电容C11之间相连位置三者相连接，构成解调单元的输出端；电容C10与所述电容C11之间相连位置串联电容C15后接地；光耦U4与光耦U5接收控制信号实现交替打开。应用中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4四者组成二极管网络，用于进行整流，压敏电阻RV1针对整流后的不干净信号进行钳位保护，防止后级电路损坏，电阻R9和电容C10、电阻R10和电容C11为阻容吸收电路，也是对整流信号进行一级滤波，最终信号经过C15进行平滑滤波后，获得与目标模拟波形信号波形一致的模拟波形结果信号。
如图8所示，输出信号检测单元包括线性光耦隔离器U6、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C12、电容C13、电容C14。
其中，电阻R13、电阻R14、电阻R15依次串联，电阻R15上背向电阻R14的一端接地，电阻R13与电阻R14之间相连位置构成输出信号检测单元的输入端，电阻R13上背向电阻R14的一端、电容C14的其中一端、线性光耦隔离器U6的正向输入端三者相连接，电容C14的另一端接地；线性光耦隔离器U6上的负向输入端与输入侧接地端相连、并接地；线性光耦隔离器U6输入侧电压端分别对接供电电压、电容C13的其中一端，电容C13的另一端接地；线性光耦隔离器U6的输出侧电压端分别对接供电电压、电容C12的其中一端，电容C12的另一端接地；线性光耦隔离器U6的输出侧接地端接地；线性光耦隔离器U6的正向输出端、负向输出端分别串联电阻R11、电阻R12后，构成输出信号检测单元对接嵌入式处理器单元的输出端。
解调单元输出的模拟波形结果信号经过R15和R14回后，转换成电压U，U=I*(R15+R14),该电压信号经过一级RC滤波后进入线性光耦进行放大隔离输出，输出的信号进入嵌入式处理器单元的AD采集电路，这样嵌入式处理单元可以实时监控输出的电流情况，防止意外输出或者断开，并提供保护功能。
本发明所设计交直流信号隔离放大电路，在实际应用当中，如图9所示，为电路信号的转换过程，V1为产生的原始信号，该信号可以是直流，也可以是交流信号，波形可以是任意波形，示意图仅仅用方波信号举例说明。V1经过调制后，就变成了幅度不一的高频方波信号，幅度高的那部分就代表V1的高电平部分，幅度低的那部分就代表了V1的低电平部分。V2信号因为是固定频率的开关信号，经过变压器T1进行隔离放大输出就变成了V3的信号，可以看出来V2和V3波形形状完全一致，仅仅是幅度不一样，信号的功率进行放大了。V3信号经过解调单元后解调出来的信号就是V4，解调的过程就是整流和滤波的过程。可以看出来，V4和V1信号，波形形状完全一致，仅仅是功率变大了。
上述技术方案所设计交直流信号隔离放大电路，应用变压器耦合的全新设计结构，能够针对任意波形信号，尤其是幅度不一的多种直流信号，执行隔离放大处理，其中通过变压器输入输出的绝缘设计，实现了高隔离等级的绝缘强度，满足医疗或者工业上的高隔离性要求；并且通过变压器的匝比控制，能够灵活调整针对信号的放大倍数，满足信号的功率放大要求，此外设计最终实现双极性信号的输出，使得结果应用更加灵活，有效提高了信号隔离放大的工作效率；与此同时，本发明所设计电路为闭环电路，系统可以实时监控输出，安全性高；因此，本发明设计特别适合于要求高抗扰性和高隔离性的行业和场合。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种交直流信号隔离放大电路，用于针对目标模拟波形信号实现隔离放大，其特征在于：包括嵌入式处理器单元、DA处理单元、调制单元、功率放大单元、解调单元；
其中，嵌入式处理器单元的输出端对接DA处理单元的输入端，嵌入式处理器单元的输出端用于输出目标模拟波形信号的数字采样信号，由DA处理单元将数字采样信号转换为模拟信号，并进行输出；同时，嵌入式处理器单元的控制端对接调制单元的输入端，由嵌入式处理器单元向调制单元输出调制信号；
功率放大单元的两个输入端分别对接DA处理单元的输出端、调制单元的输出端，功率放大单元在调制单元的调制作用下，针对模拟信号进行隔离与放大处理，获得目标隔离放大信号，并进行输出；
功率放大单元的输出端对接解调单元的输入端，由解调单元针对目标隔离放大信号进行解调处理，获得与目标模拟波形信号波形一致的模拟波形结果信号，并进行输出，即完成对目标模拟波形信号的隔离放大。
2.根据权利要求1所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：还包括输出信号检测单元；所述解调单元的输出端对接输出信号检测单元的输入端，输出信号检测单元的输出端对接所述嵌入式处理器单元的信号反馈端，由输出信号检测单元用于针对模拟波形结果信号进行采样，获得模拟波形结果信号的采样信号，并将采样信号反馈至嵌入式处理器单元，由嵌入式处理器单元根据采样信号针对目标模拟波形信号的数字采样信号、以及发送至调制单元的调制信号进行控制。
3.根据权利要求2所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述嵌入式处理器单元包括嵌入式处理器U1，以及与嵌入式处理器U1相连接的时钟电路、复位电路；时钟信号包括有源晶振U2和电容C1，其中，有源晶振U2的VDD端与电容C1的其中一端相连，且该相连位置连接供电电压；有源晶振U2的接地端与电容C1的另一端相连，且该相连位置接地；有源晶振U2的O/P端对接嵌入式处理器U1的时钟输入端；
复位电路包括电阻R1、电阻R2、电容C2，其中，电阻R1的其中一端接地，电阻R1的另一端对接嵌入式处理器U1的复位端，电容C2的其中一端接地，电容C2的另一端串联电阻R2后连接供电电压，电容C2与电阻R2之间相连位置对接嵌入式处理器U1的异步复位端；
嵌入式处理器U1的电源端连接供电电压，嵌入式处理器U1的电源接地端接地；嵌入式处理器U1的任意三个IO端构成嵌入式处理器单元对接DA处理单元的输出端；嵌入式处理器U1的定时器端口构成嵌入式处理器单元对接调制单元的控制端；嵌入式处理器U1的AD输入端口构成嵌入式处理器单元对接输出信号检测单元的信号反馈端。
4.根据权利要求2所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述DA处理单元包括DA芯片U3、电阻R3、电容C3、电容C4，其中，DA芯片U3的SCLK端、DIN端、SYNC端构成DA处理单元对接嵌入式处理器单元的输入端；DA芯片U3的电源端、电容C3的其中一端、电容C4的其中一端三者相连，且该相连位置连接供电电压；电容C3的另一端、电容C4的另一端彼此相连，并接地；DA芯片U3的接地端接地；DA芯片U3的输出端串联电阻R3后构成DA处理单元的输出端。
5.根据权利要求2所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述功率放大单元包括变压器T1、P型MOS管Q1、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R4、电阻R5；
其中，P型MOS管Q1的源极与电容C8的其中一端相连，且该相连位置连接供电电压；电容C8的另一端接地；P型MOS管Q1的栅极、电容C7的其中一端相连、电阻R5的其中一端三者相连接；电容C7的另一端接地；电阻R5的另一端构成功率放大单元对接DA处理单元的输入端；P型MOS管Q1的漏极对接电阻R4的其中一端，电阻R4的另一端分别对接电容C5的其中一端、电容C6的其中一端、变压器T1其中一侧线圈的中间抽头，且变压器T1该侧线圈的两端、以及中间抽头构成功率放大单元对接调制单元的输入端；电容C5的另一端、电容C6的另一端分别接地；变压器T1另一侧线圈的中间抽头接地；变压器T1另一侧线圈的两端构成功率放大单元的输出端。
6.根据权利要求2所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述调制单元包括结构相同的两个子调制单元，各子调制单元分别均包括N型MOS管Q2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C9；
各子调制单元结构中：电阻R7与电阻R8相互并联，且该并联结构的其中一端对接N型MOS管Q2的源极，该并联结构的另一端接地；N型MOS管Q2的栅极对接电阻R6的其中一端，电阻R6的另一端构成子调制单元的输入端；N型MOS管Q2的漏极构与电容C9的其中一端相连接，且该相连接位置构成子调制单元的输出端；
两个子调制单元的输入端构成调制单元对接嵌入式处理器单元的输入端；两个子调制单元中电容C9的另一端彼此相连接，且该相连接位置、以及各子调制单元的输出端构成调制单元对接功率放大单元的输出端。
7.根据权利要求5或6所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述各MOS管上的源极与漏极之间分别连接快速恢复二极管。
8.根据权利要求2所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述解调单元包括光耦U4、光耦U5、压敏电阻RV1、电阻R9、电阻R10、电容C10、电容C11、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；
其中，二极管D1与二极管D2彼此串联，二极管D3与二极管D4彼此串联，二极管D1与二极管D2之间相连位置、以及二极管D3与二极管D4之间相连位置构成解调单元对接功率放大单元的输入端；电阻R9、电容C10、电容C11、电阻R10依次串联，该串联结构、压敏电阻RV1、以及两组二极管串联结构四者相并联；该并联结构的两端分别对接光耦U4的其中一信号端、光耦U5的其中一信号端；光耦U4的另一信号端、光耦U5的另一信号端、以及电容C10与电容C11之间相连位置三者相连接，构成解调单元的输出端；光耦U4与光耦U5接收控制信号实现交替打开。
9.根据权利要求8所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述解调单元还包括电容C15，所述电容C10与所述电容C11之间相连位置串联电容C15后接地。
10.根据权利要求2所述一种交直流信号隔离放大电路，其特征在于：所述输出信号检测单元包括线性光耦隔离器U6、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C12、电容C13、电容C14；
其中，电阻R13、电阻R14、电阻R15依次串联，电阻R15上背向电阻R14的一端接地，电阻R13与电阻R14之间相连位置构成输出信号检测单元的输入端，电阻R13上背向电阻R14的一端、电容C14的其中一端、线性光耦隔离器U6的正向输入端三者相连接，电容C14的另一端接地；线性光耦隔离器U6上的负向输入端与输入侧接地端相连、并接地；线性光耦隔离器U6输入侧电压端分别对接供电电压、电容C13的其中一端，电容C13的另一端接地；线性光耦隔离器U6的输出侧电压端分别对接供电电压、电容C12的其中一端，电容C12的另一端接地；线性光耦隔离器U6的输出侧接地端接地；线性光耦隔离器U6的正向输出端、负向输出端分别串联电阻R11、电阻R12后，构成输出信号检测单元对接嵌入式处理器单元的输出端。
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|---|---|---|---|---|
| GB877998A (en) * | 1959-04-27 | 1961-09-20 | Beckman Instruments Inc | Improvements in d.c. amplifiers |
| CN107255967A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-10-17 | 华中科技大学 | 一种适于波形调控的高压信号发生器 |
| CN209746445U (zh) * | 2019-06-28 | 2019-12-06 | 苏州迅鹏仪器仪表有限公司 | 一种直流电压信号隔离分配器 |
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