CN113098420B - 一种直流滤波电路及方法 - Google Patents

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    • H03H7/01—Frequency selective two-port networks

Abstract

本发明公开了一种直流滤波电路，包括信号处理芯片、反并联光耦模块、输入分压电阻，数字电位计，模拟开关与减法器；本专利滤波电路与传统的有源滤波电路和无源滤波电路均不同，主要利用了光耦中发光二极管的单向导电性，通过数字电位计和固定电阻的分压得到输入直流电平，再通过减法器实现将直流滤除的功能，还公开了其滤波方法。

Description

一种直流滤波电路及方法
技术领域
本发明涉及一种直流滤波电路，尤其是一种高精度，只滤除直流不影响交流信号的滤波电路，以及其滤波方法。
背景技术
多种电压输出型传感器的供电电压和有效信号电压混杂在一起，即传感器输出的信号包含一个大的直流电平和小幅值的交流电平，交流电平才是有效信号。像多种型号的振动传感器，输出均为这种电平组成形式。
因此，如何将直流信号完全滤除，而又不损害交流信号成为信号处理的难点之一。
一般的低/高通滤波方法要么无法彻底滤除直流，要么对交流信号有损伤，均有一定的使用限制。
发明内容
本发明的目的之一在于克服上述不足之处，提供一种高精度的直流滤波电路，不但准确的滤除直流，而且能保证不损害交流信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直流滤波电路，包括信号处理芯片、反并联光耦模块、减法器以及依次串联的输入分压电阻R1、输入分压电阻R2、数字电位计X和输入分压电阻R3；输入分压电阻R1和输入分压电阻R2的连接处（A点）分别连接减法器的第一端和反并联光耦模块的第一输入端，输入分压电阻R2和数字电位计X的连接处连接至GND，数字电位计X和输入分压电阻R3的连接处（B点）分别连接减法器的第二端和模拟开关IC，模拟开关IC连接反并联光耦模块的第二输入端，输入分压电阻R3连接至VDC，反并联光耦模块的输出端分别连接3.3V固定电压源和阻值为1K欧姆的固定电阻后连接至GND，反并联光耦模块和模拟开关IC位于A点和B点之间；A点电压为输入电压经过输入分压电阻R1、输入分压电阻R2分压后的R2所占电压，B点电压为固定电压经过输入分压电阻R3、数字电位计X分压后的X所占电压，减法器可通过运算放大器搭建，它使用A点电压-B点电压的，得到纯AC信号，所述的反并联光耦模块由反向并联的两个发光二极管和三极管/MOS管串联形成，所述的信号处理芯片分别连接数字电位计X、模拟开关IC和固定电阻，起到控制数字电位计X阻值，控制模拟开关IC开通/断开以及测定固定电阻电平的作用。
所述的一种直流滤波电路，其反并联光耦模块为双向光耦或反向并联的两个单向光耦。
所述的一种直流滤波电路，其信号处理芯片为FPGA、DSP或ARM芯片。
本发明的目的之二是提供一种基于上述电路的滤波方法，从0开始调节数字电位计X的电阻值，初始反并联光耦模块导通；继续调节数字电位计X的电阻值直至反并联光耦模块恰好关断，记录此时的电位计阻值X1；继续调节数字电位计X的电阻值直至反并联光耦模块再次导通，记录此时的电位计阻值X2，控制模拟开关IC的关断，调节电位计阻值为(X1+X2)/2，此时数字电位计X的电压就等于输入信号经电阻分压后的直流电压，通过减法器将直流信号完全滤除。
进一步的步骤为：
输入分压电阻R1输入大恒定DC与小变化AC的混合信号；将输入分压电阻R1和输入分压电阻R2的连接处作为A点，将数字电位计X和输入分压电阻R3的连接处作为B点；
利用反并联光耦模块中发光二极管的单向导电特性及其发光使三极管/MOS管导通的功能，记录数字电位计X的值X1为使发光二极管正向导通（电流从A点流向B点）的电阻值，引入如下公式：B点电压=A点直流电压–发光二极管压降UD1–（模拟开关电流*模拟开关阻值）；
记录数字电位计X的值X2为使发光二极管反向导通（电流从B点流向A点）的电阻值，引入如下公式：B点电压=A点直流电压+发光二极管压降UD2+（模拟开关电流*模拟开关阻值）；
将上面两个公式相加，等号两边除以2得到B点电压=A点直流电压，得到此时数字电位计的阻值应设定为（X1+X2）/2；
当已经找到数字电位计X的合适阻值使得B电电压=A点直流电压后，控制模拟开关IC断开，将反并联光耦模块与输入电压与减法器电路脱开，防止光耦可能对减法器正常工作带来影响。
所述的一种直流滤波电路的滤波方法，通过信号处理芯片控制数字电位计X阻值从零以一定梯度增加，直到得到使反并联光耦模块中发光二极管正向开通的阻值与反向开通的阻值。
所述的一种直流滤波电路的滤波方法，通过信号处理芯片控制数字电位计X阻值从最大阻值向零以一定梯度减小，直到得到使反并联光耦模块中发光二极管正向开通的阻值与反向开通的阻值。
本发明的有益效果是：利用一个反并联光耦模块和数字电位计X配合得到输入信号的直流电平，因此电路控制逻辑简单，器件数量少，且能有效滤除直流保留交流，在应对大直流小交流信号的直流滤波方面，具有一定优势。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明初始状态下的电路工作情况；
图3为数字电位计X升压到二极管关断时的电路工作情况；
图4为数字电位计X升压到二极管导通时的电路工作情况；
图5为电位计阻值确定后的电路最终工作情况；
图6为双向光耦替换为两同型号光耦并联的电路图。
各附图标记为：1—信号处理芯片，2—反并联光耦模块，3—减法器。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步详细叙述如下。
本发明公开的一种基于光耦的直流滤波电路，其电路结构如图1所示。输入为大恒定DC与小变化AC的混合信号，VDC为固定电压，输入分压电阻R1、R2、R3为固定电阻，X为数字电位计，其它器件如图所示。
本发明利用一个反并联光耦模块2和数字电位计X配合，得到输入信号的直流电平：具体从0开始调节数字电位计X的电阻值，当输入侧电压高于电位计电压，且满足反并联光耦模块2中发光二极管的发光条件时，反并联光耦模块2中的三极管开通，信号处理芯片1（FPGA/DSP等）检测到反并联光耦模块2导通。随着电位计电压上升，直到电位计电压上升到与输入直流电平接近，导致两电压差值不能使反并联光耦模块2中的发光二极管导通，此时反并联光耦模块2中三极管关断，信号处理芯片1检测到关断信号，记录下此时的电位计阻值X1。然后继续调节电位计阻值，直到另一个方向的反光二极管导通，此时反并联光耦模块2中三极管开通，信号处理芯片1检测到再次开通的信号，记录下此时的电位计阻值X2。然后控制模拟开关IC关断，调节电位计阻值为(X1+X2)/2，此时电位计电压就等于输入信号经电阻分压后的直流电压，然后通过一个减法器3，即可将直流信号完全滤除，并且不会影响到输入信号中的交流信号。
本发明的反并联光耦模块2采用双向光耦。
需要注意的是，输入信号必须具有大直流小交流的特征，两者至少需要差一个数量级，此时发光二极管的开关只与直流信号有关，这样才能准确的检测出直流电平的大小。
下面说明一下本发明电路的原理。
首先，数字电位计X位于初始位置（0欧姆），电路工作状态如图2所示。此时A点电位高于B点，模拟开关IC闭合，双向光耦中的一个发光二极管有电流流过发光，三极管导通，输入到信号处理芯片1的信号③为高电平。
然后，按一定速度增大数字电位计X的阻值，当调节到B点电压=A点直流电压–发光二极管压降UD1–（模拟开关电流*模拟开关阻值）时，二极管临界导通，如图3所示。再增大数字电位计X的阻值时，原本导通的发光二极管将关断，另一个发光二极管也不会导通，此时三极管关断，信号③由高电平变为低电平，即有一个下降沿，信号处理芯片1记录下下降沿时刻数字电位计X的阻值X1。
然后，按一定速度继续增大数字电位计X的阻值，当调节到B点电压=A点直流电压+发光二极管压降UD2+（模拟开关电流*模拟开关阻值），二极管临界导通，如图4所示。发光二极管流过电流发光，此时三极管开通，信号③由低电平变为高电平，即有一个上升沿，信号处理芯片1记录下上升沿时刻数字电位计X的阻值X2。
最后，调节数字电位计X的阻值=（X1+X2）/2。此时B点电压=A点直流电压，这就模拟出了A点的直流电压，然后断开模拟开关IC。A、B两点电压送入减法器3进行A-B操作，即可滤除得到输入信号的纯AC分量，如图5所示。注意，X1点与X2点工作状态完全类似，两种情况下二极管电流大小一致，所以两种情况的二极管压降与模拟开关压降一致。
双向光耦芯片较少，对本发明电路的应用有限制，其实，可以使用同型号的两光耦芯片反向并联来替换双向光耦，电路图如图6所示。
使用数字电位计X阻值从最大逐渐减小的方法同样可行。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流滤波电路，其特征在于：包括信号处理芯片（1）、反并联光耦模块（2）、减法器（3）以及依次串联的输入分压电阻R1、输入分压电阻R2、数字电位计X和输入分压电阻R3；输入分压电阻R1和输入分压电阻R2的连接处分别连接减法器（3）的第一端和反并联光耦模块（2）的第一输入端，输入分压电阻R2和数字电位计X的连接处连接至GND，数字电位计X和输入分压电阻R3的连接处分别连接减法器（3）的第二端和模拟开关IC，模拟开关IC连接反并联光耦模块（2）的第二输入端，输入分压电阻R3连接至VDC，反并联光耦模块（2）的输出端分别连接固定电压源和固定电阻，固定电阻连接至GND，所述的反并联光耦模块（2）由三极管/MOS管，以及反向并联的两个发光二极管组成，所述的信号处理芯片（1）分别连接数字电位计X、模拟开关IC和固定电阻。
2.根据权利要求1所述的一种直流滤波电路，其特征在于，所述的反并联光耦模块（2）为双向光耦或反向并联的两个单向光耦。
3.根据权利要求1或2所述的一种直流滤波电路，其特征在于，所述的信号处理芯片（1）为FPGA、DSP或ARM芯片。
4.一种如权利要求1所述直流滤波电路的滤波方法，其特征在于，从0开始调节数字电位计X的电阻值，直至信号处理芯片（1）检测到反并联光耦模块（2）导通；继续调节数字电位计X的电阻值直至反并联光耦模块（2）关断，记录此时的电位计阻值X1；继续调节数字电位计X的电阻值直至反并联光耦模块（2）再次导通，记录此时的电位计阻值X2，控制模拟开关IC的关断，调节电位计阻值为(X1+X2)/2，此时数字电位计X的电压就等于输入信号经电阻分压后的直流电压，通过减法器（3）将直流信号完全滤除。
5.根据权利要求4所述的一种直流滤波电路的滤波方法，其特征在于，输入信号为大恒定DC与小变化AC的混合信号；将输入分压电阻R1和输入分压电阻R2的连接处作为A点，将数字电位计X和输入分压电阻R3的连接处作为B点；记录数字电位计X的值X1为使发光二极管正向导通的电流值，引入如下公式：B点电压=A点直流电压–发光二极管压降UD1–（模拟开关电流*模拟开关阻值）；记录数字电位计X的值X2为使发光二极管反向导通的电流值，引入如下公式：B点电压=A点直流电压+发光二极管压降UD2+（模拟开关电流*模拟开关阻值）；将上面两个公式相加，等号两边除以2得到B点电压=A点直流电压，数字电位计X的阻值为（X1+X2）/2；找到数字电位计X的合适阻值使得B点电压=A点直流电压后，控制模拟开关IC断开，将反并联光耦模块（2）与输入电压与减法器（3）电路脱开，防止光耦可能对减法器（3）正常工作带来影响。
6.根据权利要求5所述的一种直流滤波电路的滤波方法，其特征在于，通过信号处理芯片（1）控制数字电位计X阻值从零以一定梯度增加，直到得到使反并联光耦模块（2）中发光二极管正向开通的阻值与反向开通的阻值。
7.根据权利要求5所述的一种直流滤波电路的滤波方法，其特征在于，通过信号处理芯片（1）控制数字电位计X阻值从最大阻值向零以一定梯度减小，直到得到使反并联光耦模块（2）中发光二极管正向开通的阻值与反向开通的阻值。
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