CN217037205U - 一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路，包括变压器隔离模块，用于对数字输入信号或数字输出信号进行变压隔离；数字输入信号带通滤波模块，用于对所述数字输入信号进行带通滤波；数字输入信号放大整形输出模块，用于对所述数字输入信号进行放大整形输出处理；数字输出信号放大滤波模块，用于对所述数字输出信号进行放大和滤波；基准电压模块，用于向所述数字输入信号带通滤波模块、所述数字输入信号放大整形输出模块和所述数字输出信号放大滤波模块提供基准电压。本申请的数字信号传输隔离电路采用了变压器的隔离技术和信号滤波整形处理，避免了干扰信号的串扰，增强了信号的稳定性，提高了现场总线数字信号传输的可靠性。

Description

一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路

技术领域

本申请涉及工业现场设备数字传输技术领域，具体涉及一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路。

背景技术

在工业现场设备运用中，常常需要对设备之间进行数字信号传输处理。目前市场上的现场设备仪表中，常规的数字信号传输之间直接进入系统进行处理，没有经过任何信号处理，由于工业现场容易串入干扰信号，导致数字信号传输的失真，影响真实信号的可靠性，大大降低了传输的效率，严重时导致设备仪表无法正常工作。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本申请提供一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路。

本申请提出了一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路，包括变压器隔离模块，用于对现场总线的数字输入信号或微控制器系统的经过放大和滤波后的数字输出信号进行变压隔离；数字输入信号带通滤波模块，与所述变压器隔离模块连接，用于对变压隔离后的所述数字输入信号进行带通滤波；数字输入信号放大整形输出模块，与所述数字输入信号带通滤波模块的输出端连接，用于对滤波后的所述数字输入信号进行放大整形输出处理；数字输出信号放大滤波模块，所述数字输出信号放大滤波模块的输出端与所述变压器隔离模块连接，用于对所述数字输出信号进行放大和滤波，并输入到所述变压器隔离模块；基准电压模块，与所述数字输入信号带通滤波模块、所述数字输入信号放大整形输出模块和所述数字输出信号放大滤波模块连接，用于向所述数字输入信号带通滤波模块、所述数字输入信号放大整形输出模块和所述数字输出信号放大滤波模块提供基准电压。

优选的，所述变压器隔离模块包括两个信号端子JP1、电容C1、变压器T1和稳压二极管D1；所述电容C1的一端连接两个所述信号端子JP1的第1引脚，且另一端连接所述变压器T1的第1引脚，所述变压器T1的第 3引脚连接两个所述信号端子JP1的第2引脚，所述变压器T1的第2引脚和第4引脚分别与所述稳压二极管D1的两端连接；其中，两个所述信号端子JP1包括数字输入信号端子JP1和数字输出信号端子JP1，所述数字输入信号端子JP1用于发出所述数字输入信号，所述数字输出信号端子JP1用于接收变压隔离后的所述数字输出信号。

优选的，所述数字输入信号带通滤波模块包括电容C2、C3、C4和电阻R1、R2；所述电容C2、C3、C4串联连接，所述电容C2、C3、C4串接后的一端与所述变压器隔离模块连接，且另一端与所述数字输入信号放大整形输出模块连接，所述电阻R1、R2的一端分别与所述电容C3、C4的一端连接，且另一端接模拟地。

优选的，所述数字输入信号放大整形输出模块包括电阻R3、R4、R5 和运算放大器U2；所述电阻R5的一端同时与所述数字输入信号带通滤波模块的输出端和所述运算放大器U2的正相输入端连接，且另一端与所述基准电压模块连接，所述运算放大器U2的反相输入端与所述电阻R3、R4的一端连接，所述电阻R3的另一端接模拟地，所述电阻R4的另一端与所述运算放大器U2的输出端连接。

优选的，所述数字输出信号放大滤波模块包括数字输出信号端子JP2、电阻R6、R7、R8、电容C5和运算放大器U1；所述电阻R6的一端同时与所述数字输出信号端子JP2的第1引脚和所述运算放大器U1的正相输入端连接，且另一端与所述基准电压模块连接，所述运算放大器U1的反相输入端与所述电阻R7、R8的一端连接，所述电阻R7的另一端接模拟地，所述电阻R8的另一端同时与所述运算放大器U1的输出端和所述电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端连接与所述变压器隔离模块连接。

优选的，所述基准电压模块包括基准电压芯片U3和电容C6；所述基准电压芯片U3的第2引脚同时与所述电容C6的一端、所述数字输入信号放大整形输出模块以及所述数字输出信号放大滤波模块连接，所述电容C6 的另一端接模拟地。

与现有技术相比，本申请的有益成果在于：

(1)变压器隔离模块采用了变压器隔离技术，对直流信号进行了隔离，减少了干扰信号的串入，同时防止了现场强电直接串入系统而导致损坏的可能性，提高了系统设备的长期可靠性。

(2)数字输入信号带通滤波模块采用了带通滤波技术，根据信号的频率进行带通滤波，消除杂散频率段的干扰，降低了不必要噪声干扰，提高了数字传输的稳定性。

(3)数字输入信号放大整形输出模块采用运放的放大和整形功能，对长距离传输的衰减数字信号的进行放大整形处理，提高了微弱信号的识别性，同时对信号进行整形，保证了后续系统处理的可靠性。

(4)数字输出信号放大滤波模块采用了运放的放大功能，可以保证在总线上不同的传输负载下，传递数字信号的电压幅值不会改变，消除了设备总线上负载的影响，提高了现场总线处理的动态特性，保证了系统的兼容性。

(5)基准电压模块采用了低温漂高精度的稳压芯片，为相关电路提供了准确的参考基准，保证了数字信号识别的可靠性。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本申请的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本申请实施例的基于现场总线的数字信号传输隔离电路的原理框图；

图2是根据本申请一个具体实施例的基于现场总线的数字信号传输隔离电路的电路图；

图3是根据本申请一个具体实施例的基于现场总线的数字信号传输隔离电路处理前后波形示意图。

图中各编号的含义：1、变压器隔离模块；2、数字输入信号带通滤波模块；3、数字输入信号放大整形输出模块；4、数字输出信号放大滤波模块；5、基准电压模块。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本申请的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本申请的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本申请的范围由所附权利要求来限定。

本申请提出了一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路。图1示出了根据本申请实施例的基于现场总线的数字信号传输隔离电路的原理框图，如图1所示，该数字信号传输隔离电路包括变压器隔离模块1、数字输入信号带通滤波模块2、数字输入信号放大整形输出模块3、数字输出信号放大滤波模块4和基准电压模块5。

其中，变压器隔离模块1用于对现场总线的数字输入信号或微控制器系统的经过放大和滤波后的数字输出信号进行变压隔离；数字输入信号带通滤波模块2的输入端与变压器隔离模块1连接，用于对变压隔离后的数字输入信号进行带通滤波；数字输入信号放大整形输出模块3的输入端与数字输入信号带通滤波模块2的输出端连接，用于对滤波后的数字输入信号进行放大整形输出处理，放大整形后的数字输入信号后续可以直接进行后续的数字信号处理；数字输出信号放大滤波模块4的输出端与变压器隔离模块1连接，用于对微控制器系统的数字输出信号进行放大和滤波，并输入到变压器隔离模块1进行变压隔离，再通过变压器隔离模块1进行输出；基准电压模块5与数字输入信号带通滤波模块2、数字输入信号放大整形输出模块3和数字输出信号放大滤波模块4连接，用于提供一个基准电压。

图2示出了根据本申请一个具体实施例的基于现场总线的数字信号传输隔离电路的电路图，如图2所示，变压器隔离模块1包括两个信号端子 JP1、电容C1、变压器T1和稳压二极管D1。电容C1的一端连接两个信号端子JP1的第1引脚，且另一端连接变压器T1的第1引脚，变压器T1的第3引脚连接两个信号端子JP1的第2引脚，变压器T1的第2引脚和第4 引脚分别与稳压二极管D1的两端连接。其中，两个信号端子JP1分别为数字输入信号端子JP1和数字输出信号端子JP1(图中只示出了一个)，数字输入信号端子JP1作为发送现场总线数字输入信号的信号端口，数字输出信号端子JP1作为接收微控制器系统所发出的经过变压隔离后的数字输出信号的信号端口。

变压器隔离模块1采用了变压器隔离技术，对直流信号进行了隔离，减少了干扰信号的串入，同时防止了现场强电直接串入系统而导致损坏的可能性，提高了系统设备的长期可靠性。

继续参照图2，数字输入信号带通滤波模块2包括电容C2、C3、C4和电阻R1、R2。电容C2、C3、C4依次串联连接，电容C2、C3、C4串接后的一端与变压器T1的第2引脚连接，且另一端与数字输入信号放大整形输出模块3连接，电阻R1、R2的一端分别与电容C3、C4的一端连接，且另一端接模拟地。

数字输入信号带通滤波模块2采用了带通滤波技术，根据信号的频率进行带通滤波，消除杂散频率段的干扰，降低了不必要噪声干扰，提高了数字传输的稳定性。

继续参照图2，数字输入信号放大整形输出模块3包括电阻R3、R4、 R5和运算放大器U2。电阻R5的一端同时与电容C4的一端和运算放大器 U2的正相输入端连接，且另一端与基准电压模块5连接，运算放大器U2 的反相输入端与电阻R3、R4的一端连接，电阻R3的另一端接模拟地，电阻R4的另一端与运算放大器U2的输出端连接。

数字输入信号放大整形输出模块3采用运放的放大和整形功能，对长距离传输的衰减数字信号的进行放大整形处理，提高了微弱信号的识别性，同时对信号进行整形，保证了后续系统处理的可靠性。

继续参照图2，数字输出信号放大滤波模块4包括数字输出信号端子 JP2、电阻R6、R7、R8、电容C5和运算放大器U1。电阻R6的一端同时与数字输出信号端子JP2的第1引脚和运算放大器U1的正相输入端连接，且另一端同时与电容R5的一端、基准电压模块5连接，运算放大器U1的反相输入端与电阻R7、R8的一端连接，电阻R7的另一端接模拟地，电阻 R8的另一端同时与运算放大器U1的输出端和电容C5的一端连接，电容 C5的另一端连接与变压器T1的第2引脚连接。

数字输出信号放大滤波模块4同样采用了运放的放大功能，可以保证在总线上不同的传输负载下，传递数字信号的电压幅值不会改变，消除了设备总线上负载的影响，提高了现场总线处理的动态特性，保证了系统的兼容性。

继续参照图2，基准电压模块5包括基准电压芯片U3和电容C6。基准电压芯片U3的第2引脚同时与电容C6的一端、电阻R5的一端以及电阻R6的一端连接，电容C6的另一端接模拟地。

基准电压模块5采用了低温漂高精度的基准电压芯片U3，为数字输入信号带通滤波模块2、数字输入信号放大整形输出模块3和数字输出信号放大滤波模块4提供了准确的参考基准电压，保证了数字信号识别的可靠性。

图3示出了根据本申请一个具体实施例的基于现场总线的数字信号传输隔离电路处理前后波形示意图，如图3所示，本实例中的现场总线数字输入信号和微控制器系统数字输出信号在隔离滤波前是一个具有一定频率且带有毛刺的方波波形，经过本实例的变压器隔离模块1隔离及处理后，信号去除了毛刺等杂波的影响，并消除了其它频率段波形的干扰，达到对应数字信号处理的最优化，减小了干扰信号的影响量，保证了数字信号的可靠性，大大提高了现场总线数字传输的准确度。

本实施例的实施原理：

现场总线的数字输入信号中夹杂着不同类型的干扰信号，经过变压器隔离模块1中电容C1的隔离直流后，消除了总线上的直流偏置，然后结合变压器T1的变压隔离技术，交变的数字输入信号传输到变压器T1的次级，使得现场总线和数据采集系统没有电气上的直接连接，传输磁场强度的变化大小；耦合到次级的数字信号通过数字输入信号带通滤波模块2，结合不同的带通滤波参数，对不在传输频率段的频率进行衰减和消除，避免了干扰频率段的信号串入；数字输入信号进一步经过数字输入信号放大整形输出模块3后，对微弱信号的进行放大和失真的波形进行整形，最后进入数字系统处理，进行数据的识别和校验。微控制器系统的数字输出信号则经过数字输出信号放大滤波模块4后，结合运算放大器U1对数字输出信号进行调制，隔离直流偏置后，输入到变压器T1上并结合磁场的交变技术耦合回到现场总线上，进行数字输出信号的输出，从而达到数字输出信号和现场总线的电气隔离。在现在总线数字输入/输出信号的交互过程中，由于采用了变压器的隔离技术和信号的带通滤波处理技术，对总线上的干扰进行了一定程度的隔离和衰减，增强了信号了信噪比，保证了数据的可靠性；同时在数字输出上结合运放和变压器的技术，可实时对总线上的负载进行动态调整，保证了系统的兼容性。

显然，本领域技术人员在不偏离本申请的精神和范围的情况下可以作出对本申请的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本申请的权利要求及其等同形式的范围内，则本申请还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (6)

1.一种基于现场总线的数字信号传输隔离电路，其特征在于，包括：

变压器隔离模块(1)，用于对现场总线的数字输入信号或微控制器系统的经过放大和滤波后的数字输出信号进行变压隔离；

数字输入信号带通滤波模块(2)，与所述变压器隔离模块(1)连接，用于对变压隔离后的所述数字输入信号进行带通滤波；

数字输入信号放大整形输出模块(3)，与所述数字输入信号带通滤波模块(2)的输出端连接，用于对滤波后的所述数字输入信号进行放大整形输出处理；

数字输出信号放大滤波模块(4)，所述数字输出信号放大滤波模块(4)的输出端与所述变压器隔离模块(1)连接，用于对所述数字输出信号进行放大和滤波，并输入到所述变压器隔离模块(1)；

基准电压模块(5)，与所述数字输入信号带通滤波模块(2)、所述数字输入信号放大整形输出模块(3)和所述数字输出信号放大滤波模块(4)连接，用于向所述数字输入信号带通滤波模块(2)、所述数字输入信号放大整形输出模块(3)和所述数字输出信号放大滤波模块(4)提供基准电压。

2.根据权利要求1所述的基于现场总线的数字信号传输隔离电路，其特征在于：

所述变压器隔离模块(1)包括两个信号端子JP1、电容C1、变压器T1和稳压二极管D1；

所述电容C1的一端连接两个所述信号端子JP1的第1引脚，且另一端连接所述变压器T1的第1引脚，所述变压器T1的第3引脚连接两个所述信号端子JP1的第2引脚，所述变压器T1的第2引脚和第4引脚分别与所述稳压二极管D1的两端连接；

其中，两个所述信号端子JP1包括数字输入信号端子JP1和数字输出信号端子JP1，所述数字输入信号端子JP1用于发出所述数字输入信号，所述数字输出信号端子JP1用于接收变压隔离后的所述数字输出信号。

3.根据权利要求1所述的基于现场总线的数字信号传输隔离电路，其特征在于：

所述数字输入信号带通滤波模块(2)包括电容C2、C3、C4和电阻R1、R2；

所述电容C2、C3、C4串联连接，所述电容C2、C3、C4串接后的一端与所述变压器隔离模块(1)连接，且另一端与所述数字输入信号放大整形输出模块(3)连接，所述电阻R1、R2的一端分别与所述电容C3、C4的一端连接，且另一端接模拟地。

4.根据权利要求1所述的基于现场总线的数字信号传输隔离电路，其特征在于：

所述数字输入信号放大整形输出模块(3)包括电阻R3、R4、R5和运算放大器U2；

所述电阻R5的一端同时与所述数字输入信号带通滤波模块(2)的输出端和所述运算放大器U2的正相输入端连接，且另一端与所述基准电压模块(5)连接，所述运算放大器U2的反相输入端与所述电阻R3、R4的一端连接，所述电阻R3的另一端接模拟地，所述电阻R4的另一端与所述运算放大器U2的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的基于现场总线的数字信号传输隔离电路，其特征在于：

所述数字输出信号放大滤波模块(4)包括数字输出信号端子JP2、电阻R6、R7、R8、电容C5和运算放大器U1；

所述电阻R6的一端同时与所述数字输出信号端子JP2的第1引脚和所述运算放大器U1的正相输入端连接，且另一端与所述基准电压模块(5)连接，所述运算放大器U1的反相输入端与所述电阻R7、R8的一端连接，所述电阻R7的另一端接模拟地，所述电阻R8的另一端同时与所述运算放大器U1的输出端和所述电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端连接与所述变压器隔离模块(1)连接。

6.根据权利要求1所述的基于现场总线的数字信号传输隔离电路，其特征在于：

所述基准电压模块(5)包括基准电压芯片U3和电容C6；

所述基准电压芯片U3的第2引脚同时与所述电容C6的一端、所述数字输入信号放大整形输出模块(3)以及所述数字输出信号放大滤波模块(4)连接，所述电容C6的另一端接模拟地。

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