CN221042827U - 一种模拟量信号隔离系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟量信号隔离系统，包括信号输入模块、信号隔离模块和信号输出模块，信号输入模块的输出端与信号隔离模块的输入端相连，信号隔离模块的输出端与信号输出模块的输入端相连；信号输入模块用于将外部模拟量信号滤波、压缩和升压后，输出正模拟量信号；信号隔离模块包括CHAD203隔离放大器，用于将正模拟量信号比例放大和隔离后，输出隔离后的正模拟量信号；信号输出模块用于对隔离后的正模拟量信号降压、放大和滤波后，输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号。本实用新型能适用于较宽电压范围的输入信号的数据传输，还可以承受瞬时高脉冲，避免损坏电子元件以及产生干扰，提高系统的安全性。

Description

一种模拟量信号隔离系统

技术领域

本实用新型属于隔离器技术领域，更具体地，涉及一种模拟量信号隔离系统。

背景技术

工业现场的干扰信号复杂多样，为了提高设备工作的可靠性和安全性，在传感器数据传输过程中，通常会在模拟信号输出端与控制设备信号输入端之间串接模拟量信号隔离系统，将模拟信号1：1的传输到测量设备或采集设备，同时又能够实现发送端与接收端电气隔离。在构建的系统中起到隔绝系统发送端和接收端的电气关系，保护接收端的测量设备、采集设备，避免系统之间互相干扰或者造成运行故障。

模拟量信号隔离系统的输入信号电压幅值一般允许为±5V左右，如果在恶劣的电磁环境下，或者输入信号中包含百伏或千伏量级的偶发短脉冲干扰时，经常会造成隔离电路的器件损坏，丧失其基本的模拟信号隔离输出的功能。另外对于超出范围的输入信号无法测量，需要加外部衰减，尤其对于多道集成的隔离器设备，增加了系统建设的复杂度，也可能带来安全、干扰等使用问题。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种模拟量信号隔离系统，能适用于较宽电压范围的输入信号的数据传输，还可以承受瞬时高脉冲，避免损坏电子元件以及产生干扰，提高系统的安全性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种模拟量信号隔离系统，包括信号输入模块、信号隔离模块和信号输出模块，所述信号输入模块的输出端与信号隔离模块的输入端相连，信号隔离模块的输出端与信号输出模块的输入端相连；

所述信号输入模块用于接收并将外部模拟量信号进行滤波、幅度压缩和升压处理后，输出正模拟量信号；所述信号隔离模块，包括CHAD203隔离放大器，用于将正模拟量信号进行比例放大和隔离传输处理后，输出隔离后的正模拟量信号；所述信号输出模块用于对隔离后的正模拟量信号进行降压、放大和滤波处理后，输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号。

本实用新型提供的模拟量信号隔离系统，信号隔离模块采用CHAD203隔离放大器，可实现包括大范围的正、负电压的模拟量信号隔离传输，还可以承受瞬时高脉冲，避免损坏电子元件以及产生干扰，提高系统的安全性；且本实施例提供的模拟量信号隔离系统结构简单，易生产，成本低，体积小，重量轻，使用方便，可靠性高，有良好的社会和经济效益。

在其中一个实施例中，所述信号输入模块包括RC低通滤波器电路、比例电路和升压电路；

所述RC低通滤波器电路用于将外部模拟量信号进行滤波处理后输出；所述比例电路用于将滤波后的模拟量信号进行比例提取，实现电压幅度压缩；所述升压电路用于将幅度压缩后的模拟量信号进行升压处理后，输出正模拟量信号。

在其中一个实施例中，所述RC低通滤波器电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，第一电阻的一端接入外部模拟量信号，第二电阻的一端与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与第一电容的一端相连，第一电容的一端输出滤波后的模拟量信号，第一电容的另一端与第二电阻的另一端接地。

在其中一个实施例中，所述比例电路包括第三电阻和第四电阻，所述升压电路包括仪表放大器；

所述仪表放大器的输入端分别与第三电阻的一端、第四电阻的一端相连，第三电阻的另一端接入滤波后的模拟量信号，第四电阻的另一端接地，仪表放大器的输出端输出正模拟量信号。

在其中一个实施例中，所述信号输入模块还包括采用第一运放芯片的电压跟随器电路，所述电压跟随器电路用于提高RC低通滤波器电路的驱动能力。

在其中一个实施例中，所述信号输出模块包括反向加法器电路、RC滤波器电路和反向器电路；

所述反向加法器电路用于将信号输出模块输出的模拟量信号进行反向、比例放大和降压处理后，输出反向模拟量信号；所述RC滤波器电路用于滤除反向模拟量信号中的噪声；所述反向器电路用于将滤除噪声后的反向模拟量信号再次反向，输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号。

在其中一个实施例中，所述反向加法器电路包括第二运放芯片、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述第二运放芯片的负相输入端分别与第五电阻的一端、第六电阻的一端、第七电阻的一端相连，第五电阻的另一端接入隔离后的正模拟量信号，第六电阻的另一端接入参考模拟量信号，第七电阻的另一端与第二运放芯片的输出端相连，第二运放芯片的输出端输出反向模拟量信号。

在其中一个实施例中，所述RC滤波器电路包括第八电阻和第二电容，第八电阻的一端接入反向模拟量信号，第八电阻的另一端输出滤除噪声后的反向模拟量信号，第八电阻的另一端通过第二电容接地。

在其中一个实施例中，所述反向器电路包括第三运放芯片、第九电阻、第十电阻和第十一电阻；

所述第三运放芯片的负相输入端分别与第九电阻的一端、第十电阻的一端相连，第九电阻的另一端接入滤除噪声后的反向模拟量信号，第十电阻的另一端与第三运放芯片的输出端相连，第三运放芯片的输出端输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号，第三运放芯片的正相输入端通过第十一电阻接地。

在其中一个实施例中，所述模拟量信号隔离系统还包括电源模块，所述电源模块包括第三电容、第四电容、滤波器、二极管和电源芯片；

所述滤波器的输入端通过并联的第三电容和第四电容与外部直流电源相连，滤波器的输出端通过二极管与电源芯片的输入端相连，电源芯片的输出端输出直流电，该直流电用于为信号输入模块、信号隔离模块和信号输出模块供电。

附图说明

图1是本实用新型一实施例提供的模拟量信号隔离系统的结构图；

图2是本实用新型一实施例提供的信号隔离模块的电路原理图；

图3是本实用新型一实施例提供的信号输入模块的电路原理图；

图4是本实用新型一实施例提供的信号输出模块的电路原理图；

图5是本实用新型另一实施例提供的电源模块的结构图；

图6是本实用新型一实施例提供的电源模块的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为解决传统模拟信号隔离器无法承受瞬时高脉冲及适用电压范围较窄的问题，对此，本实用新型提供了一种模拟量信号隔离系统，如图1所示，该系统包括信号输入模块10、信号隔离模块20和信号输出模块30，信号输入模块10的输出端与信号隔离模块20的输入端相连，信号隔离模块20的输出端与信号输出模块30的输入端相连。需要说明的是，本实施例提供的各模块可通过系统内置电源模块供电或接外部电源进行供电。

其中，信号输入模块10用于将输入外部模拟量信号Vi进行滤波后，按照设定的压缩比进行幅度压缩，输出幅度压缩后的模拟量信号V1i，然后对该模拟量信号V1i进行升压，得到正模拟量信号(正电压信号)V2i输出到信号隔离模块。

具体地，该信号输入模块10可采用电容、电阻和放大器构成的拓扑结构，其中，电容和电阻组成RC滤波电路，用于滤除外部模拟量信号中的噪声；放大器用于将滤除噪声(滤波)后的模拟量信号进行幅度压缩和放大处理后，传输给后端信号隔离模块20。

信号隔离模块20用于将正模拟量信号V2i进行比例放大，并按照设定的传输比对比例放大后的正模拟量信号V2i进行隔离传输，输出隔离后的正模拟量信号V3i到后端信号输出模块30。

在本实施例中，信号隔离模块20采用CHAD203隔离放大器，如图2所示，CHAD203隔离放大器用于接收正模拟量信号V2i，进行比例放大和隔离传输后，输出正模拟量信号V3i。具体地，CHAD203隔离放大器的IN-端和FB端通过连接电阻R5和R6接地，PWR IN端接入15V直流电源，通过电容C4和C5进行滤波，给CHAD203隔离放大器供电。

本实施例提供的信号隔离模块20采用CHAD203隔离放大器，由于CHAD203隔离放大器采用磁隔离方式，可隔离传输直流到10kHz的任意信号，内部提供一个隔离电压源，使用先进的双边带调制技术实现载波信号对隔离信号的调制；另外，解调部分使用模拟开关还原技术和滤波技术，可降低变压器隔离所带来的纹波，噪声，隔离电压达到DC2000V。因此，本实施例提供的信号隔离模块可实现包括大范围的正、负电压的模拟量信号隔离传输，还可以承受瞬时高脉冲，避免损坏电子元件以及产生干扰，提高系统的安全性。

信号输出模块30用于对隔离后的模拟量信号V3i进行降压、放大和滤波处理后，输出隔离后的模拟量信号Vo，即与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号。具体地，本实施例提供的信号输出模块30可采用本领域常用的降压电路、放大电路和滤波电路。

本实施例提供的模拟量信号隔离系统，信号隔离模块采用CHAD203隔离放大器，可实现包括大范围的正、负电压的模拟量信号隔离传输，还可以承受瞬时高脉冲，避免损坏电子元件以及产生干扰，提高系统的安全性；且本实施例提供的模拟量信号隔离系统结构简单，易生产，成本低，体积小，重量轻，使用方便，可靠性高，有良好的社会和经济效益。

在一个实施例中，如图3所示，信号输入模块10包括RC低通滤波器电路、比例电路和升压电路。其中，RC低通滤波器电路用于将外部模拟量信号Vi进行滤波处理后输出；比例电路用于将滤波后的模拟量信号进行比例提取，实现电压幅度压缩；升压电路用于将幅度压缩后的模拟量信号V1i进行升压处理后，输出正模拟量信号V2i。

具体地，RC低通滤波器电路可采用电阻R1、R2和电容C1组成的拓扑结构，各器件连接关系为：电阻R1的一端接入外部模拟量信号Vi，电阻R2的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的一端输出滤波后的模拟量信号，电容C1的另一端与电阻R2的另一端接地。

比例电路可采用电阻R3与电阻R4组成的拓扑结构，升压电路可采用仪表放大器U4，各器件连接关系为：仪表放大器U4的输入端+IN分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端相连，电阻R3的另一端接入滤波后的模拟量信号，电阻R4的另一端接地，仪表放大器U4的输出端OUTPUT输出正模拟量信号V2i。

进一步地，本实施例提供的信号输入模块10还可包括电压跟随器电路，采用运放芯片U1，用于提高电路的驱动能力。具体地，运放芯片U1可采用运放AD620。

在本实施例中，电阻R1、R2和电容C1构成的RC低通滤波器电路用于滤除输入模拟信号Vi中的噪声信号。运放芯片U1接成电压跟随器电路，用于提高电路的驱动能力。电阻R3与R4连接成比例电路，用于对电压跟随器电路输出的电压进行比例提取，实现电压幅度压缩。通过设定电阻R3和R4的阻值参数，可设定电路的压缩比为R4:(R3+R4)。升压电路包括运放AD620，运放AD620的-IN端通过电阻R14接地，+IN端接入幅度压缩后的模拟量信号V1i，-Vs端和+Vs接入+15V电源，REF接入参考正电压Vref1，OUTPUT端输出正模拟量信号V2i。

在一个实施例中，如图4所示，信号输出模块30包括反向加法器电路、RC滤波器电路和反向器电路。其中，反向加法器电路用于将正模拟量信号V3i进行反向、比例放大和降压处理后，输出反向模拟量信号；RC滤波器电路用于滤除反向模拟量信号中的噪声；反相器电路用于将滤除噪声后的反向模拟量信号再次反向，输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号Vo。

具体地，反向加法器电路可采用电阻R8、R9、R10与运放芯片U2构成的拓扑结构，各器件连接关系为：运放芯片U2的负相输入端分别与电阻R8的一端、电阻R9的一端、电阻R10的一端相连，电阻R9的另一端接入正模拟量信号V3i，电阻R8的另一端接入参考模拟量信号Vref1，电阻R10的另一端与运放芯片U2的输出端相连，运放芯片U2的输出端输出反向模拟量信号。

RC滤波器电路可采用电阻R11和电容C4组成的拓扑结合，各器件连接关系为：电阻R11的一端接入反向模拟量信号，R11电阻的另一端输出滤除噪声后的反向模拟量信号，电阻R11的另一端通过电容C4接地。

反向器电路可采用运放芯片U3和电阻R12、R13和R15，各器件连接关系为：运放芯片U3的负相输入端分别与电阻R12的一端、电阻R13的一端相连，R12电阻的另一端接入滤除噪声后的反向模拟量信号，电阻R13的另一端与运放芯片U3的输出端相连，运放芯片U3的输出端输出模拟量信号Vo，运放芯片U3的正相输入端通过电阻R15接地。

在本实施例中，由电阻R8、R9、R10与运放芯片U2组成的向加法器电路，用于将正模拟量信号V3i进行反向、比例放大和降压运算，输出反向电压信号。电阻R11和电容C4组成的RC滤波器电路，用于滤除信号中的噪声设定电阻R11和电容C4的阻容参数可设置成不同带宽的低通滤波器。电阻R12、R13、R15与运放芯片U3组成的反向器电路，用于对反向加法器电路输出的反向电压信号再次反向，得到与模拟信号Vi同向、隔离且传输比可调的模拟信号Vo。

在一个实施例中，如图5所示，上述实施例提供的信号输入模块10、信号隔离模块20和信号输出模块30采用系统内置的电源模块40供电，该电源模块40用于将外部24V直流电进行滤波后，转换成各模块所需使用的15V直流电。

具体地，如图6所示，该电源模块采用电容C2、电容C3、滤波器DS1、二极管D4和电源芯片U10组成的拓扑结构，各器件连接关系为：滤波器DS1的输入端通过并联的电容C2和电容C3与外部24V直流电源相连，滤波器DS1的输出端通过二极管D4与电源芯片U10的输入端相连，电源芯片U10的输出端输出15V直流电，该直流电用于为信号输入模块10、信号隔离模块20和信号输出模块30供电。

在本实施例中，电源模块输入24V直流电源，经过并联C2、C3电容保护电路，能有效抑制过载和过流现象，抑制电路中的振荡，起保护电路的作用。滤波器DS1用于电路供电滤波，二极管D4用于保护电路中精密的器件免受浪涌脉冲的破坏。电源芯片U10用于将24V直流电转换成15V直流电，优选地，该电源芯片U10可URB2415JMT-5W型号的电源芯片。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟量信号隔离系统，其特征在于，包括信号输入模块、信号隔离模块和信号输出模块，所述信号输入模块的输出端与信号隔离模块的输入端相连，信号隔离模块的输出端与信号输出模块的输入端相连；

所述信号输入模块用于接收并将外部模拟量信号进行滤波、幅度压缩和升压处理后，输出正模拟量信号；所述信号隔离模块，采用磁隔离方式的CHAD203隔离放大器，所述CHAD203隔离放大器的IN-端和FB端通过连接两个电阻接地，其PWR IN端接入15V直流电源，通过两个电容进行滤波，给CHAD203隔离放大器供电，所述信号隔离模块用于将正模拟量信号进行比例放大和隔离传输处理后，输出隔离后的正模拟量信号；所述信号输出模块用于对隔离后的正模拟量信号进行降压、放大和滤波处理后，输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号。

2.根据权利要求1所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述信号输入模块包括RC低通滤波器电路、比例电路和升压电路；

所述RC低通滤波器电路用于将外部模拟量信号进行滤波处理后输出；所述比例电路用于将滤波后的模拟量信号进行比例提取，实现电压幅度压缩；所述升压电路用于将幅度压缩后的模拟量信号进行升压处理后，输出正模拟量信号。

3.根据权利要求2所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述RC低通滤波器电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，第一电阻的一端接入外部模拟量信号，第二电阻的一端与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与第一电容的一端相连，第一电容的一端输出滤波后的模拟量信号，第一电容的另一端与第二电阻的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述比例电路包括第三电阻和第四电阻，所述升压电路包括仪表放大器；

所述仪表放大器的输入端分别与第三电阻的一端、第四电阻的一端相连，第三电阻的另一端接入滤波后的模拟量信号，第四电阻的另一端接地，仪表放大器的输出端输出正模拟量信号。

5.根据权利要求2所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述信号输入模块还包括采用第一运放芯片的电压跟随器电路，所述电压跟随器电路用于提高RC低通滤波器电路的驱动能力。

6.根据权利要求1所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述信号输出模块包括反向加法器电路、RC滤波器电路和反向器电路；

所述反向加法器电路用于将信号输出模块输出的模拟量信号进行反向、比例放大和降压处理后，输出反向模拟量信号；所述RC滤波器电路用于滤除反向模拟量信号中的噪声；所述反向器电路用于将滤除噪声后的反向模拟量信号再次反向，输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号。

7.根据权利要求6所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述反向加法器电路包括第二运放芯片、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述第二运放芯片的负相输入端分别与第五电阻的一端、第六电阻的一端、第七电阻的一端相连，第五电阻的另一端接入隔离后的正模拟量信号，第六电阻的另一端接入参考模拟量信号，第七电阻的另一端与第二运放芯片的输出端相连，第二运放芯片的输出端输出反向模拟量信号。

8.根据权利要求6所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述RC滤波器电路包括第八电阻和第二电容，第八电阻的一端接入反向模拟量信号，第八电阻的另一端输出滤除噪声后的反向模拟量信号，第八电阻的另一端通过第二电容接地。

9.根据权利要求6所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述反向器电路包括第三运放芯片、第九电阻、第十电阻和第十一电阻；

所述第三运放芯片的负相输入端分别与第九电阻的一端、第十电阻的一端相连，第九电阻的另一端接入滤除噪声后的反向模拟量信号，第十电阻的另一端与第三运放芯片的输出端相连，第三运放芯片的输出端输出与外部模拟量信号同向、隔离且传输比可调的模拟量信号，第三运放芯片的正相输入端通过第十一电阻接地。

10.根据权利要求1所述的模拟量信号隔离系统，其特征在于，所述模拟量信号隔离系统还包括电源模块，所述电源模块包括第三电容、第四电容、滤波器、二极管和电源芯片；

所述滤波器的输入端通过并联的第三电容和第四电容与外部直流电源相连，滤波器的输出端通过二极管与电源芯片的输入端相连，电源芯片的输出端输出直流电，该直流电用于为信号输入模块、信号隔离模块和信号输出模块供电。