CN205142179U - 一种低频模拟信号隔离变送电路 - Google Patents

Abstract

一种低频模拟信号隔离变送电路，属于信号隔离技术领域。包括模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路、隔离信号还原输出电路以及电源电路，所述的模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路以及隔离信号还原输出电路依次串联连接，所述的电源电路分别为上述各电路提供电源。优点：替代了模拟信号直接线性隔离传输的传统方案，提高了隔离传输精度；利用微控制器将模拟信号转换成数字PWM波，经磁耦技术原理制成的数字隔离芯片隔离后，再由低通滤波电路按比例恢复出原始的模拟信号，从而能降低模拟信号隔离传输的难度，提高了传输精度。

Description

一种低频模拟信号隔离变送电路

技术领域

本实用新型属于信号隔离技术领域，具体涉及一种低频模拟信号隔离变送电路。

背景技术

在工业控制技术应用中，为了有效提高工控系统的抗干扰性、稳定性及可靠性，通常需要采用电气隔离技术，用于阻隔外部复杂电磁干扰信号的侵入，并能准确地获取外部感知信号或输出控制信号。

目前，数字信号隔离变送技术已经成熟，实现方法多样，可以满足工业控制需求。而模拟信号隔离传输近几年虽然获得了极大的发展，但相较于数字信号隔离变送技术，在传输精度及成本控制上还有一定的不足。传统的模拟信号线性隔离传输技术，完全依赖线性隔离器件的传输精度，通常存在一定的误差，限制了其应用范围。模拟信号隔离变送时，可考虑先将模拟信号转换成数字信号，待隔离传输后，再将数字信号恢复成原始的模拟信号。此种方案，与传统的直接进行模拟信号隔离传输的技术相比，可充分利用数字信号传输精度高、数字信号隔离技术成熟的特点，实现较高精度的低频模拟信号隔离传输。为此，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种低频模拟信号隔离变送电路，能够保证模拟信号的传输精度及准确度，并且成本低廉。

本实用新型的目的是这样来达到的，一种低频模拟信号隔离变送电路，其特征在于:包括模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路、隔离信号还原输出电路以及电源电路，所述的模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路以及隔离信号还原输出电路依次串联连接，所述的电源电路分别为上述各电路提供电源。

在本实用新型的一个具体的实施例中，所述的模拟信号输入处理电路包括电阻R1～电阻R3、电容C1、电容C2、运算放大器U1A以及接插件P1，所述的运算放大器U1A采用AD823，电阻R1的一端与接插件P1的1脚连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端以及运算放大器U1A的3脚连接，运算放大器U1A的1、2脚共同与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与电容C1的一端连接，并共同连接至所述的微控制器处理电路，运算放大器U1A的8脚与电容C2的一端共同连接直流电源VDD1，接插件P1的2脚、电阻R2的另一端、运算放大器U1A的4脚、电容C1的另一端以及电容C2的另一端共同接地GND1。

在本实用新型的另一个具体的实施例中，所述的微控制器处理电路包括接插件P2、P3、电容C3、电阻R4～电阻R6、运算放大器U1B、微控制器U2以及第一电压基准参考源芯片U3，所述的运算放大器U1B采用AD823，所述的微控制器U2采用ATtiny24，所述的第一电压基准参考源芯片U3采用LM285-2.5，所述的接插件P2的1脚与接插件P3的5脚连接，接插件P2的2脚连接微控制器U2的4脚，接插件P2的3脚与电阻R6的一端以及电容C3的一端连接，微控制器U2的8脚以及接插件P3的1脚共同连接所述的PWM隔离变送电路，微控制器U2的12脚连接所述的模拟信号输入处理电路，微控制器U2的13脚与电阻R5的一端以及运算放大器U1B的6脚连接，电阻R5的另一端与运算放大器U1B的7脚连接，运算放大器U1B的5脚与电阻R4的一端以及第一电压基准参考源芯片U3的2脚连接，接插件P3的3脚连接微控制器U2的9脚，接插件P3的4脚连接微控制器U2的7脚，电阻R4的另一端、电阻R6的另一端、接插件P3的2脚以及微控制器U2的1脚共同接直流电源VDD1，电容C3的另一端、第一电压基准参考源芯片U3的1脚、接插件P3的6脚以及微控制器U2的14脚共同接地GND1。

在本实用新型的又一个具体的实施例中，所述的PWM隔离变送电路包括电容C4、电阻R7、模拟开关U4、第二电压基准参考源芯片U5以及磁耦合隔离芯片U6，所述的模拟开关U4采用ISL54053，所述的第二电压基准参考源芯片U5采用LM285-2.5，所述的磁耦合隔离芯片U6采用ADuM1201，磁耦合隔离芯片U6的1脚与电容C4的一端共同接直流电源VDD1，磁耦合隔离芯片U6的3脚接所述的微控制器处理电路，磁耦合隔离芯片U6的6脚与模拟开关U4的2脚连接，模拟开关U4的3脚与电阻R7的一端以及第二电压基准参考源芯片U5的2脚连接，模拟开关U4的5脚连接所述的隔离信号还原输出电路，磁耦合隔离芯片U6的8脚、模拟开关U4的4脚以及电阻R7的另一端共同接直流电源VDD2，磁耦合隔离芯片U6的4脚与电容C4的另一端共同接地GND1，磁耦合隔离芯片U6的5脚、模拟开关U4的1、6脚、第二电压基准参考源芯片U5的1脚以及磁耦合隔离芯片U6的5脚共同接地GND2。

在本实用新型的再一个具体的实施例中，所述的隔离信号还原输出电路包括电阻R8～电阻R11、电容C5～电容C9、运算放大器U7B以及接插件P4，所述的运算放大器U7B采用AD823，电阻R9的一端连接所述的PWM隔离变送电路，电阻R9的另一端与电容C7的一端以及运算放大器U7B的5脚连接，运算放大器U7B的6脚与电阻R8的一端以及电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运算放大器U7B的7脚以及电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与电容C6的一端以及接插件P4的2脚连接，运算放大器U7B的8脚与电容C5的一端共同接直流电源VDD2，接插件P4的1脚、电容C8的一端以及电容C9的一端共同接直流电源VCC2，电阻R8的另一端、电容C5的另一端、电容C7的另一端、运算放大器U7B的4脚、电容C6的另一端、电容C8的另一端、电容C9的另一端以及接插件P4的3脚共同接地GND2。

在本实用新型的还有一个具体的实施例中，所述的电源电路包括电容C10～电容C16、隔离电源模块U8、集成稳压芯片U9以及电感L1，所述的隔离电源模块U8采用B0505S-1W，所述的集成稳压芯片U9采用LM117-3.3，电感L1的一端和隔离电源模块U8的2脚共同接直流电源VCC2，电感L1的另一端与电容C10的一端以及电容C11的一端连接，并共同输出直流电源VDD2，隔离电源模块U8的4脚与电容C12的一端以及电容C13一端连接，并共同输出直流电源VCC1，电容C14的一端与集成稳压芯片U9的3脚共同接直流电源VCC1，集成稳压芯片U9的2、4脚与电容C15的一端以及电容C16的一端共同输出直流电源VDD1，隔离电源模块U8的3脚、电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、集成稳压芯片U9的1脚、电容C15的另一端以及电容C16的另一端共同接地GND1，电容C10的另一端、电容C11的另一端以及隔离电源模块U8的1脚共同接地GND2。

本实用新型由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果：替代了模拟信号直接线性隔离传输的传统方案，提高了隔离传输精度；利用微控制器将模拟信号转换成数字PWM波，经磁耦技术原理制成的数字隔离芯片隔离后，再由低通滤波电路按比例恢复出原始的模拟信号，从而能降低模拟信号隔离传输的难度，提高了传输精度。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图。

图2为本实用新型所述的模拟信号输入处理电路的电原理图。

图3为本实用新型所述的微控制器处理电路的电原理图。

图4为本实用新型所述的PWM隔离变送电路的电原理图。

图5为本实用新型所述的隔离信号还原输出电路的电原理图。

图6为本实用新型所述的电源电路的电原理图。

具体实施方式

申请人将在下面结合附图对本实用新型的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本实用新型构思作形式而非实质的变化都应当视为本实用新型的保护范围。

请参阅图1，本实用新型涉及一种低频模拟信号隔离变送电路，包括模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路、隔离信号还原输出电路以及电源电路，所述的模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路以及隔离信号还原输出电路依次串联连接。模拟信号输入处理电路连接外部输入的模拟信号，并将处理后的信号送入微控制器处理电路，产生随输入信号改变而变的PWM信号，所述的PWM信号经PWM隔离变送电路后，通过隔离信号还原输出电路恢复成原始的模拟信号。所述的电源电路为上述各电路提供符合要求的电源。

请参阅图2，所述的模拟信号输入处理电路包括电阻R1～电阻R3、电容C1、电容C2、运算放大器U1A以及接插件P1，所述的运算放大器U1A采用AD823。电阻R1的一端与接插件P1的1脚连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端以及运算放大器U1A的3脚连接，运算放大器U1A的1、2脚共同与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与电容C1的一端连接，并共同连接至所述的微控制器处理电路。接插件P1的1脚连接外部输入的模拟信号，所述的模拟信号经电阻R1和电阻R2组成的分压电路（分压比优选为1：2）后，送入由运算放大器U1A构成的同相电压跟随器。电压跟随器输出的信号经电阻R3和电容C1组成的一阶低通滤波电路滤除杂波后，传送至所述的微控制器处理电路。

请参阅图3，所述的微控制器处理电路包括接插件P2、P3、电容C3、电阻R4～电阻R6、运算放大器U1B、微控制器U2以及第一电压基准参考源芯片U3，所述的运算放大器U1B采用AD823，所述的微控制器U2采用ATtiny24，所述的第一电压基准参考源芯片U3采用LM285-2.5。微控制器U2的8脚以及接插件P3的1脚共同连接所述的PWM隔离变送电路，微控制器U2的12脚连接所述的模拟信号输入处理电路。微控制器处理电路从所述的模拟信号输入处理电路接收信号后，由内部ADC通道进行A/D转换。电阻R4和运算放大器U1B构成基准电压参考源，为A/D转换提供2.5V基准电压。接插件P3的1～6脚为微控制器U2的仿真及调试下载电路接口，需配合专用的仿真器使用。接插件P2的1～3脚在实际使用时用跳线帽短接相邻两脚。在仿真器调试电路时，接插件P2的1、2脚短接。电路正常工作时，接插件P2的2、3脚短接，并共同与电阻R6和电容C3组成的上电复位电路相连。微控制器U2控制A/D转换，并将10位A/D转换结果a变换成占空比η=a/1024的16位PWM波，送入后级PWM隔离变送电路进行处理。所述的PWM波随输入模拟信号的改变而变化，保持对输入模拟信号的跟踪输出。

请参阅图4，所述的PWM隔离变送电路包括电容C4、电阻R7、模拟开关U4、第二电压基准参考源芯片U5以及磁耦合隔离芯片U6。所述的第二电压基准参考源芯片U5采用LM285-2.5；所述的磁耦合隔离芯片U6采用ADuM1201，用于使隔离前级微控制器U2产生的PWM波作数字隔离输出。磁耦合隔离芯片U6的隔离前级电源端1脚连接直流电源VDD1，磁耦合隔离芯片U6的隔离后级电源端8脚连接直流电源VDD2，磁耦合隔离芯片U6的3脚接所述的微控制器处理电路。所述的模拟开关U4的5脚连接所述的隔离信号还原输出电路，模拟开关U4采用ISL54053，为一高速低导通电阻的一刀二掷型模拟开关，常闭端1脚接地GND2，常开端3脚连接一基准电压信号，将隔离输出的PWM波转换成占空比不变，且高电平电压为2.5V、低电平电压为0V的PWM波。在本实施例中，所述的基准电压信号由电阻R7及第二电压基准参考源芯片U5构成的电压参考源提供。

请参阅图5，所述的隔离信号还原输出电路包括电阻R8～电阻R11、电容C5～电容C9、运算放大器U7B以及接插件P4。所述的运算放大器U7B采用AD823，电阻R9的一端连接所述的PWM隔离变送电路。电阻R9和电容C7组成一阶低通滤波电路，将高电平电压为2.5V、低电平电压为0V的PWM波中的高频交流分量滤除，得到直流与交流低频分量，该低频分量的电压幅值范围为0～2.5V。电阻R10、电阻R8及运算放大器U7B构成放大倍数为两倍的同相比例放大电路，用于将上述的PWM波的电压幅值范围放大至0～5V。运算放大器U7B的7脚连接由电阻R11和电容C6组成的低通滤波电路，所述的低通滤波电路进一步滤除运算放大器U7B的输出信号中残余的高次谐波，最后由接插件P4的2脚输出还原后的模拟信号。接插件P4的1脚接直流电源VCC2，3脚接地GND2，电容C8用于稳定直流电源VCC2的电压，电容C9用于滤除电源中的高频干扰信号。

请参阅图6，所述的电源电路包括电容C10～电容C16、隔离电源模块U8、集成稳压芯片U9以及电感L1。所述的隔离电源模块U8采用B0505S-1W，所述的集成稳压芯片U9采用LM117-3.3。电感L1的一端和隔离电源模块U8的2脚共同连接外部输入的直流电源VCC2，电感L1、电容C10以及电容C11构成LC滤波电路，用于抑制隔离电源模块U8可能产生的高频干扰，防止高频交流噪声串入所述的PWM隔离变送电路,减少供电电源对相关电路的影响。直流电源VDD2为PWM隔离变送电路的隔离后级电路以及隔离信号还原输出电路中的运算放大器U7B提供电源。隔离电源模块U8的3、4脚产生一路非稳压的隔离电源VCC1。因输出电压不是恒压源，此处通过集成稳压芯片U9稳压产生稳定的直流电源VDD1，用于为模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路及PWM隔离变送电路中的隔离前级电路提供电源。电容C12和电容C13能够限制隔离电源输出电压的波动范围。所述的电容C14为储能稳幅电容，电容C15和电容C16起抑制高频干扰、提高直流电源输出质量的作用。

本实用新型解决了复杂工业环境下低频模拟信号隔离传输的问题，并且能够保证模拟信号的传输精度及准确度，达到了发明目的。

Claims (6)

1.一种低频模拟信号隔离变送电路，其特征在于:包括模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路、隔离信号还原输出电路以及电源电路，所述的模拟信号输入处理电路、微控制器处理电路、PWM隔离变送电路以及隔离信号还原输出电路依次串联连接，所述的电源电路分别为上述各电路提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种低频模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的模拟信号输入处理电路包括电阻R1～电阻R3、电容C1、电容C2、运算放大器U1A以及接插件P1，所述的运算放大器U1A采用AD823，电阻R1的一端与接插件P1的1脚连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端以及运算放大器U1A的3脚连接，运算放大器U1A的1、2脚共同与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与电容C1的一端连接，并共同连接至所述的微控制器处理电路，运算放大器U1A的8脚与电容C2的一端共同连接直流电源VDD1，接插件P1的2脚、电阻R2的另一端、运算放大器U1A的4脚、电容C1的另一端以及电容C2的另一端共同接地GND1。

3.根据权利要求1所述的一种低频模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的微控制器处理电路包括接插件P2、P3、电容C3、电阻R4～电阻R6、运算放大器U1B、微控制器U2以及第一电压基准参考源芯片U3，所述的运算放大器U1B采用AD823，所述的微控制器U2采用ATtiny24，所述的第一电压基准参考源芯片U3采用LM285-2.5，所述的接插件P2的1脚与接插件P3的5脚连接，接插件P2的2脚连接微控制器U2的4脚，接插件P2的3脚与电阻R6的一端以及电容C3的一端连接，微控制器U2的8脚以及接插件P3的1脚共同连接所述的PWM隔离变送电路，微控制器U2的12脚连接所述的模拟信号输入处理电路，微控制器U2的13脚与电阻R5的一端以及运算放大器U1B的6脚连接，电阻R5的另一端与运算放大器U1B的7脚连接，运算放大器U1B的5脚与电阻R4的一端以及第一电压基准参考源芯片U3的2脚连接，接插件P3的3脚连接微控制器U2的9脚，接插件P3的4脚连接微控制器U2的7脚，电阻R4的另一端、电阻R6的另一端、接插件P3的2脚以及微控制器U2的1脚共同接直流电源VDD1，电容C3的另一端、第一电压基准参考源芯片U3的1脚、接插件P3的6脚以及微控制器U2的14脚共同接地GND1。

4.根据权利要求1所述的一种低频模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的PWM隔离变送电路包括电容C4、电阻R7、模拟开关U4、第二电压基准参考源芯片U5以及磁耦合隔离芯片U6，所述的模拟开关U4采用ISL54053，所述的第二电压基准参考源芯片U5采用LM285-2.5，所述的磁耦合隔离芯片U6采用ADuM1201，磁耦合隔离芯片U6的1脚与电容C4的一端共同接直流电源VDD1，磁耦合隔离芯片U6的3脚接所述的微控制器处理电路，磁耦合隔离芯片U6的6脚与模拟开关U4的2脚连接，模拟开关U4的3脚与电阻R7的一端以及第二电压基准参考源芯片U5的2脚连接，模拟开关U4的5脚连接所述的隔离信号还原输出电路，磁耦合隔离芯片U6的8脚、模拟开关U4的4脚以及电阻R7的另一端共同接直流电源VDD2，磁耦合隔离芯片U6的4脚与电容C4的另一端共同接地GND1，磁耦合隔离芯片U6的5脚、模拟开关U4的1、6脚、第二电压基准参考源芯片U5的1脚以及磁耦合隔离芯片U6的5脚共同接地GND2。

5.根据权利要求1所述的一种低频模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的隔离信号还原输出电路包括电阻R8～电阻R11、电容C5～电容C9、运算放大器U7B以及接插件P4，所述的运算放大器U7B采用AD823，电阻R9的一端连接所述的PWM隔离变送电路，电阻R9的另一端与电容C7的一端以及运算放大器U7B的5脚连接，运算放大器U7B的6脚与电阻R8的一端以及电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运算放大器U7B的7脚以及电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与电容C6的一端以及接插件P4的2脚连接，运算放大器U7B的8脚与电容C5的一端共同接直流电源VDD2，接插件P4的1脚、电容C8的一端以及电容C9的一端共同接直流电源VCC2，电阻R8的另一端、电容C5的另一端、电容C7的另一端、运算放大器U7B的4脚、电容C6的另一端、电容C8的另一端、电容C9的另一端以及接插件P4的3脚共同接地GND2。

6.根据权利要求1所述的一种低频模拟信号隔离变送电路，其特征在于所述的电源电路包括电容C10～电容C16、隔离电源模块U8、集成稳压芯片U9以及电感L1，所述的隔离电源模块U8采用B0505S-1W，所述的集成稳压芯片U9采用LM117-3.3，电感L1的一端和隔离电源模块U8的2脚共同接直流电源VCC2，电感L1的另一端与电容C10的一端以及电容C11的一端连接，并共同输出直流电源VDD2，隔离电源模块U8的4脚与电容C12的一端以及电容C13一端连接，并共同输出直流电源VCC1，电容C14的一端与集成稳压芯片U9的3脚共同接直流电源VCC1，集成稳压芯片U9的2、4脚与电容C15的一端以及电容C16的一端共同输出直流电源VDD1，隔离电源模块U8的3脚、电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、集成稳压芯片U9的1脚、电容C15的另一端以及电容C16的另一端共同接地GND1，电容C10的另一端、电容C11的另一端以及隔离电源模块U8的1脚共同接地GND2。