CN201034619Y - 通用差动传感器信号隔离转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种通用差动传感器信号隔离转换装置，包括依次连接的差动传感器、脉宽调制充放电控制电路、前级信号整形电路、隔离变压器、迟滞整形输出电路以及低通滤波输出电路，同时还具有用于向差动传感器、脉宽调制充放电控制电路和前级信号整形电路供电的隔离电源电路。由于采用通用的脉宽调制电路，使电路结构简单和容易实现，采用微分变压器和迟滞整形技术，使测量和隔离的方波信号频率范围更宽，功耗低，使用可靠，大大提高变送器的测量精度和稳定性。实践证明，本实用新型输出的模拟信号可以很容易的被外部电路处理及高精度的A/D转换器采集使用，很好的实现了传感器信号的隔离传输，提高了变送器的抗干扰能力。

Description

通用差动传感器信号隔离转换装置

技术领域

本实用新型涉及一种传感器信号测量装置，尤其涉及过程控制用变送器的差动传感器信号隔离转换装置。

背景技术

目前，变送器在过程控制领域中得到越来越广泛的应用，作为一次测量仪表，其测量精度、稳定性和可靠性不容忽视。传感器作为变送器中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响变送器的测量精度和稳定性。随着微电子技术和精密加工技术的发展，新型传感器其本身在精度和稳定性方面有了明显的提高，但是，作为过程控制用的仪表，变送器的工作环境场所通常比较恶劣，外界环境如电磁辐射、静电、浪涌等对其干扰影响很大，而且部分变送器的传感器(如金属电容传感器)的电极还直接与大地相连，这样，干扰信号很容易串到变送器内部对其测量造成影响，因此，变送器的精度和稳定性不只是靠高精度的传感器就能保证，而且还需要在软硬件及结构的设计上综合考虑干扰因素，才能使变送器的整体性能得到有效的改善。通常，解决外界干扰的有效方法是在电路中增加滤波或隔离电路，如中国实用新型专利ZL02257164.7介绍了一种金属电容差动传感器的隔离电路，其基本思路是，当被测量作用在差动传感器上时，引起传感器的电容值发生变化，在电路上利用两组受控的分时充放电电路对金属电容传感器的两个电容(电容的变化与压力的变化成正比)充放电，用参考电压和比较器控制电容的充放电时间，该时间与电容的变化量成正比，然后通过合成电路输出一个随充放电时间变化的频率信号，该信号再通过变压器隔离输出给后续电路采集，由采集电路测量频率信号来计算传感器所测得的被测量的数值。该电路较好的解决了传感器信号的隔离问题，但是充放电电路复杂，采集的频率信号容易受到干扰而影响到测量精度。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对目前变送器因传感器容易受到外界干扰而影响到变送器测量的精度和可靠性，并针对上述隔离电路的不足，提供一种电路结构相对简单和容易实现的通用差动传感器信号隔离转换装置，其输出的模拟信号很容易被高精度的A/D转换器采集使用，能很好地实现传感器信号的隔离传输，提高变送器的抗干扰能力。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了以下的技术方案：设计一种用于变送器的通用差动传感器信号隔离转换装置，包括依次连接的差动传感器、脉宽调制充放电控制电路、前级信号整形电路、隔离变压器、迟滞整形输出电路以及低通滤波输出电路，同时还具有用于向差动传感器、脉宽调制充放电控制电路和前级信号整形电路供电的隔离电源电路。

所述脉宽调制充放电控制电路由双稳态触发器和电压比较器组成，其分时控制差动传感器的充放电波形的宽度，该波形的宽度与传感器的变化量成正比。所述双稳态触发器可以为RS触发器、JK触发器或者D触发器等；所述RS触发器可以由与非门电路或者或非门电路组成。

所述隔离电源电路由外部电源和驱动激励信号输入端、隔离变压器和整流输出电路组成单端它激反激式隔离电源，该整流输出电路为LDO稳压电路。

所述前级信号整形电路由斯密特反相器构成，它将充放电电压的波型整型形成前后沿陡直的方波信号，以利于微分变压器隔离传输。

所述与前级信号整形电路连接的隔离变压器优选为微分隔离变压器。

所述迟滞整形输出电路由斯密特反相器和迟滞回差电压组成，它将隔离变压器隔离的信号整形并恢复为前级电路形成的方波信号，该方波信号的占空比与被测量的变化量成正比，方波信号经过低通滤波后直接输出一个随被测量变化的模拟信号，该模拟信号可以很容易的被外部电路处理采集使用。

本实用新型的信号隔离转换装置通过器件的简单变换适合多种差动传感器场合使用，例如差动电容传感器、差动电阻传感器或者差动电感传感器等。

根据实际使用需要，所述由前级信号整形电路、隔离变压器、迟滞整形输出电路和低通滤波输出电路连接而成的线路可以为一组，也可以为两组，两组的效果更好。

与现有技术相比较，本实用新型的差动传感器信号隔离转换装置由于采用通用的脉宽调制电路，使电路结构简单和容易实现，采用微分变压器和迟滞整形技术，使测量和隔离的方波信号频率范围更宽，功耗低，使用可靠，大大提高变送器的测量精度和稳定性。实践证明，本实用新型输出的模拟信号可以很容易的被外部电路处理及高精度的A/D转换器采集使用，很好的实现了传感器信号的隔离传输，提高了变送器的抗干扰能力。

附图说明

图1是本实用新型通用差动传感器信号隔离转换装置的原理方框图；

图2是本实用新型通用差动传感器信号隔离转换装置的电原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详尽的描述。

由图1和图2所示，本实用新型的通用差动传感器信号隔离转换装置包括依次连接的差动传感器5、脉宽调制充放电控制电路3、前级信号整形电路2、微分隔离变压器6、迟滞整形输出电路7以及低通滤波输出电路8，以及用于向差动传感器5、脉宽调制充放电控制电路3和前级信号整形电路2供电的隔离电源电路1。其中，由前级信号整形电路2、微分隔离变压器6、迟滞整形输出电路7和低通滤波输出电路8连接而成的线路可以为一组，也可以为两组，两组的效果更好。

所述隔离电源电路1由外部电源和驱动激励信号输入端9、隔离变压器10和整流输出电路4组成单端它激反激式隔离电源，其通过LDO稳压输出供差动传感器5、脉宽调制充放电控制电路3、前级信号整形电路2使用。所述脉宽调制充放电控制电路3由双稳态触发器32、电压比较器31和电阻分压电路33组成，电阻分压电路33的输出端接电压比较器31的同项输入端，电压比较器31的两个反向输入端分别接差动传感器5的两个电极，电压比较器31的两个输出分别接双稳态触发器32的两个触发控制端，双稳态触发器32的两个输出端分别通过等值电阻Rx和Ry及放电二极管D3和D4连接差动传感器5的两个电极，同时，这两个输出端又连接到前级信号整形电路2的反相器的输入端。所述前级信号整形电路2的输出通过隔直电容和调整电阻与微分隔离变压器6的输入端相连，微分隔离变压器6的输出接迟滞整形输出电路7的输入端，通过调整电阻R11和R12的值来设置迟滞回差电压值，以便准确的还原输出方波信号。所述低通滤波输出电路8接收迟滞整形输出电路7的输出方波信号，滤出高频成分的谐波分量，得到随被测量变化的线性输出，该输出通能反映随差动传感器变化的被测量的值。

所述隔离电源电路1工作在单端它激反激式模式，隔离电源的电源电压和激励信号由外部电路通过输入端9提供。隔离变压器10采用高频脉冲DC/DC变压器，隔离电压大于2KV，整流输出电路4为低压差、低功耗的LDO稳压电路。

所述差动传感器5可以为差动电容传感器、差动电阻传感器和差动电感传感器。当传感器为差动电容传感器时，电阻Rx和Ry阻值固定并相等；当传感器为差动电阻传感器时，电容Cx和Cy的电容值固定并相等，电阻Rx和Ry为传感器的差动电阻；当传感器为差动电感传感器时，电阻Rx和Ry阻值固定并相等，电容Cx和Cy改为差动电感传感器。

所述脉宽调制充放电控制电路3的双稳态触发器32可以为RS触发器、JK触发器或D触发器，RS触发器可以由与非门或者或非门组成。比较器31可以为TLC3702、TLV3702等高速低功耗比较器。

所述前级信号整形电路2由斯密特反相器构成，它将充放电电压的波型整型形成前后沿陡直的方波信号，以利于微分变压器隔离传输。

所述迟滞整形输出电路7由斯密特反相器和迟滞回差电压组成，它将微分变压器隔离的信号整形并恢复为前级整形电路形成的方波信号，该方波信号的占空比与被测量的变化量成正比，方波信号经过低通滤波后再由差分运放电路直接输出一个随被测量变化的模拟信号。由于每一路方波信号分别受组成差动传感器的两个传感器的调制，在一定使用范围内，一路方波信号也可以反映被测结果，所以，由前级信号整形电路2、微分隔离变压器6、迟滞整形输出电路7和低通滤波输出电路8连接而成的线路可以为一组，也可以为两组，两组的效果更好。

下面以差动电容传感器为例，对本实用新型的工作原理进行说明：

如图1和图2所示，当隔离电源1获得电源和激励信号输入时，整流输出4的电路U1输出一个稳定的直流电压，该电压供供差动传感器5、脉宽调制充放电控制电路3、前级信号整形电路2使用。在电源电压加载的同时，双稳态触发器32输出一端为高电平，另一端为低电平，当Q端为高电平时，二极管D3处于反向偏置，该高电平通过电阻Rx对电容Cx充电，Cx的端电压按指数规律上升，当电压超过由R11和R12设置的预置电压时，比较器U5B发生翻转，该翻转脉冲触发双稳态触发器32的输出翻转，Q端为低电平，二极管D3处于正向偏置，电容Cx通过二极管D3迅速放电。与此同时/Q端为高电平，二极管D4处于反向偏置，该高电平通过电阻Ry对电容Cy充电，Cy的端电压按指数规律上升，当电压超过由R11和R12设置的预置电压时，比较器U5A发生翻转，该翻转脉冲触发双稳态触发器32的输出再次翻转，Q端为高电平，/Q端为低电平，又重复以前的充放电过程，该过程周而复始的进行下去，结果在双稳态触发器的两个输出端形成连续的充放电的方波信号，该信号的高电平持续时间受充电电阻Rx和Ry、Cx和Cy以及比较参考电压值的影响，而双稳态触发器的翻转又受电压比较器5的影响，通常使用情况下，电阻Rx、Ry、比较参考电压值、比较器的参数已选定，因此高电平持续时间只受差动电容Cx和Cy的影响，即双稳态触发器32的输出方波只受差动电容Cx和Cy的调制。该方波信号输出给前级信号整形电路2进一步整形，形成前后沿陡直的方波，方波信号经过隔直电容和调整电阻与微分隔离变压器形成微分脉冲信号，通过变压器的磁耦合，将微分脉冲信号传递到输出端，在输出端，通过简单设置迟滞回差电压值，由迟滞整形输出电路7将微分脉冲信号恢复为隔离前的方波信号，方波信号再通过低通滤波输出电路8滤出高频成分的谐波分量，得到随被测量变化的线性输出信号，该输出能很好的反映随差动电容传感器变化的被测值。

当没有被测量作用在差动电容传感器上时，由于两个电容Cx和Cy的容值近似相等，通过低通滤波输出电路输出的模拟电压值近似相等，当有被测量作用在传感器上时，两个电容值一个增大，一个减小，通过低通滤波输出电路输出的模拟电压值也一个增大，一个减少，很好的反映了被测量的变化值。

实践证明，本实用新型结构简单，性能稳定可靠，输出的模拟信号可以很容易的被外部电路处理及高分辨率A/D采集转换实用，能够获得很好的测量精度。

Claims (10)

1.一种通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：包括依次连接的差动传感器(5)、脉宽调制充放电控制电路(3)、前级信号整形电路(2)、隔离变压器(6)、迟滞整形输出电路(7)以及低通滤波输出电路(8)，同时还具有用于向差动传感器(5)、脉宽调制充放电控制电路(3)和前级信号整形电路(2)供电的隔离电源电路(1)。

2.根据权利要求1所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述脉宽调制充放电控制电路(3)由双稳态触发器和电压比较器组成。

3.根据权利要求2所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述双稳态触发器为RS触发器、JK触发器或者D触发器；所述RS触发器由与非门电路或者或非门电路组成。

4.根据权利要求1至3任一所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述隔离电源电路(1)由外部电源和驱动激励信号输入端(9)、隔离变压器(10)和整流输出电路(4)组成单端它激反激式隔离电源。

5.根据权利要求4所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述整流输出电路(4)为LDO稳压电路。

6.根据权利要求1至3任一所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述前级信号整形电路(2)由斯密特反相器构成。

7.根据权利要求1至3任一所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述隔离变压器(6)为微分隔离变压器。

8.根据权利要求1至3任一所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述迟滞整形输出电路(7)由斯密特反相器和迟滞回差电压组成。

9.根据权利要求1至3任一所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述差动传感器(5)为差动电容传感器、差动电阻传感器或者差动电感传感器。

10.根据权利要求1至3任一所述的通用差动传感器信号隔离转换装置，其特征在于：所述由前级信号整形电路(2)、隔离变压器(6)、迟滞整形输出电路(7)和低通滤波输出电路(8)连接而成的线路设置有一组或者两组。