隔離電壓采樣電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種隔離電壓采樣電路。目前精度高、速度快的隔離采樣方案成本都比較高。本實用新型包括單運放恒流源電路，鋸齒波積分電路，電壓調(diào)制比較電路，高速光耦傳輸電路。單運放恒流源電路產(chǎn)生高精度的恒定電流提供給鋸齒波積分電路，鋸齒波積分電路通過特殊的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高線性度的幅值可調(diào)的鋸齒波。然后通過比較器比較鋸齒波與待測電壓，將待測電壓調(diào)制成PWM。最后通過高速光耦將PWM傳輸?shù)搅硗庖粋€系統(tǒng)中,以此實現(xiàn)電壓的隔離采樣。此電路采用一個單電源供電即可；通過改變少數(shù)相關(guān)元件參數(shù)，可以靈活調(diào)節(jié)采樣周期和采樣電壓的動態(tài)范圍。此電路成本低，精度高，應(yīng)用場合廣泛。
【專利說明】隔離電壓采樣電路【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種隔離電壓采樣電路。
【背景技術(shù)】
[0002]電壓采樣在電力電子系統(tǒng)中常常起著非常重要的作用。對于共地的系統(tǒng)，電壓采樣相對簡單；對于互相隔離的系統(tǒng)，電壓的采樣就困難很多。傳統(tǒng)的隔離系統(tǒng)中進行電壓采樣主要有以下幾種:第一種，將電壓轉(zhuǎn)化成電流，再通過霍爾電流傳感器傳遞后再轉(zhuǎn)化成電壓，最后進行電壓采樣，這種方法精度高，但是霍爾電流傳感器較貴；第二種，V/F方式，先將電壓通過專用集成芯片轉(zhuǎn)化成頻率，再通過光耦合器傳輸給另外一個系統(tǒng)，通過測量所得到的脈沖的頻率可以得到電壓值，這種方法缺點是每次采樣時間隨著脈沖頻率變化而變化，無法滿足實時控制的需要。第三種，通過基于磁耦合原理的隔離放大器進行傳輸，這種方法精度高，速度快，但是相應(yīng)隔離放大器非常昂貴。第四種，通過線性光耦及相應(yīng)外圍電路傳輸，這種方法精度較高，但是相應(yīng)光耦較貴，且傳輸電壓動態(tài)范圍很小，易受溫度影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種隔離電壓采樣電路。
[0004]本實用新型一種隔離電壓采樣電路包括單運放恒流源電路、鋸齒波積分電路、電壓調(diào)制比較電路和高速光耦傳輸電路。
[0005]單運放恒流源電路包括運算放大器U1、基準源TL431、第一電阻R1、第二電阻R2，第三電阻R3、第四 電阻R4、第五電阻R5和第六電阻R6。其中第一電阻Rl —端與VCCl電源連接，另外一端與基準源TL431芯片的陰極、第二電阻R2的一端連接；基準源TL431的陰極與其參考端連接，基準源TL431的陽極與第三電阻R3的一端連接并接GNDl ;第二電阻R2另外一端與運算放大器Ul的同相端、第六電阻R6的一端連接；第三電阻R3另一端與運算放大器Ul的反相端、第四電阻R4的一端連接；第四電阻R4的另一端與運算放大器Ul的輸出端、第五電阻R5的一端連接；第五電阻R5的另外一端與第六電阻R6的另一端連接并作為恒定電流輸出端。
[0006]鋸齒波積分電路包括第一比較器U2、NMOS開關(guān)管Q1，高速開關(guān)二極管D1、第一電容Cl、第二電容C2、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻RlO和第十一電阻Rll ;其中第七電阻R7 —端與VCCl電源連接，另一端與第一比較器U2的反相端、第八電阻R8的一端連接；第八電阻R8另一端與GNDl連接；第九電阻R9 —端與VCCl電源連接，另一端與第十電阻RlO的一端、高速開關(guān)二極管Dl的陽極連接；第十電阻RlO的另一端與第一比較器U2的輸出端連接；高速開關(guān)二極管Dl的陰極與開關(guān)管Ql的柵極、第二電容C2的一端、第i 電阻Rll的一端連接；第二電容C2的另一端與第^ 電阻Rll的另一端、NMOS開關(guān)管Ql的源極、第一電容Cl的一端連接并接GNDl ;第一電容Cl的另一端與NMOS開關(guān)管Ql的漏極、第一比較器U2的同相端連接并接恒定電流輸出端。
[0007]電壓調(diào)制比較電路包括第二比較器U3和第十二電阻R12。第二比較器U3的同相端與恒定電流輸出端連接；第十二電阻R12—端與第二比較器U3的反相端連接，另一端與待測電壓輸入端連接。
[0008]高速光耦傳輸電路包括高速光耦U4、第十三電阻R13和第十四電阻R14 ;高速光耦U4的發(fā)光二極管的陰極與第二比較器U3的輸出端連接；第十三電阻R13的一端與VCCl電源連接，另一端與高速光耦U4的發(fā)光二極管的陽極連接；高速光耦U4的光敏三極管的集電極接VCC2電源；高速光耦U4的光敏三極管的發(fā)射極與第十四電阻R14的一端連接并作為PWM信號輸出端；第十四電阻R14另一端接GND2。
[0009]本實用新型首先通過基準源TL431產(chǎn)生一個高精度的基準源電壓，然后通過以運算放大器Ul為關(guān)鍵器件的單電源恒流源電路產(chǎn)生恒定輸出電流，電流方向為從第五電阻R5流向第一電容Cl。恒定電流的大小等于基準源TL431基準電壓與第五電阻R5的比值。
[0010]第七電阻R7和第八電阻R8將電源電壓分壓產(chǎn)生一個電壓基準Vref給第一比較器U2的反相端。第一電容Cl在恒定電流的充電之下,第一比較器U2的3腳上的電壓電高度線性上升。當?shù)谝槐容^器U2的同相端上的電壓低于反相端的電壓的時候，比較器輸出低電平，第九電阻R9和第十電阻RlO對電源進行分壓，第十電阻RlO上的電壓處于一個較小的電壓值，高速開關(guān)二極管Dl處于導(dǎo)通狀態(tài)。開關(guān)管Ql柵極電壓被高速開關(guān)二極管Dl柑位在一個特定的電壓值(這個特定電壓值小于開關(guān)管的開啟閾值電壓)，開關(guān)管處于截止狀態(tài)。當?shù)谝槐容^器U2的同相端上的電壓超過反相端上的參考電壓的瞬間，比較器輸出高阻狀態(tài)，此時，電源通過第九電阻R9、高速開關(guān)二極管Dl的途徑對開關(guān)管Ql柵極進行快速充電。當開關(guān)管Ql柵極電壓高于開啟閾值電壓的時候，開關(guān)管導(dǎo)通，第一電容Cl上的電荷泄放到地，電壓下降。當?shù)谝槐容^器U2的同相端上的電壓降低到小于反相端上的電壓的瞬間，比較器輸出低電平，第九電阻R9和第十電阻RlO對電源進行分壓，第十電阻RlO上的電壓處于一個較小的電壓值，由于此時高速開關(guān)二極管Dl陽極電壓小于陰極電壓，高速開關(guān)二極管Dl截止。開關(guān)管Ql柵極上的電壓通過第十一電阻Rll較緩地放電(相對于柵極充電過程)，第一電容Cl上的電壓降低到0V。當開關(guān)管Ql柵極上的電壓降低到低于開關(guān)管Ql的開啟閾值電壓后，開關(guān)管Ql截止，此時，第一電容Cl上的電壓又從OV開始線性上升。這個過程周期循環(huán)，產(chǎn)生高線性度的鋸齒波。
[0011]第二比較器U3的反相端接待測電壓輸入，同相端接有上述電路產(chǎn)生的高線性度鋸齒波。當鋸齒波電壓值小于待測電壓時，第二比較器U3輸出低電平，此時，高速光耦U4的發(fā)光二極管導(dǎo)通，對應(yīng)的光敏三極管導(dǎo)通；PWM輸出高電平。當鋸齒波電壓值大于待測電壓時，比較器輸出高阻狀態(tài)，此時，光耦發(fā)光二極管截止，對應(yīng)光敏三極管截止，PWM輸出低電平。
[0012]本實用新型中的待采樣電壓就由上述電路轉(zhuǎn)化成相應(yīng)占空比的PWM信號，通過光耦傳輸?shù)搅硪粋€隔離的系統(tǒng)中。在另外一個系統(tǒng)中可以采用多種方法測出PWM的占空比，得到相應(yīng)的電壓值。此電路采用方便的同一個單電源供電即可；通過改變R5的值，可以改變恒流源的大小，靈活調(diào)節(jié)采樣周期；通過改變R8的值，可以靈活調(diào)節(jié)信號的采樣最大幅度。此電路成本低，精度高，應(yīng)用場合廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型的電路圖?！揪唧w實施方式】
[0014]如圖1所示，本實用新型一種隔離電壓采樣電路包括單運放恒流源電路、鋸齒波積分電路、電壓調(diào)制比較電路和高速光耦傳輸電路。
[0015]單運放恒流源電路包括運算放大器U1、基準源TL431、第一電阻R1、第二電阻R2，第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5和第六電阻R6。其中第一電阻Rl —端與VCCl電源連接，另外一端與基準源TL431芯片的陰極、第二電阻R2的一端連接；基準源TL431的陰極與其參考端連接，基準源TL431的陽極與第三電阻R3的一端連接并接GNDl ;第二電阻R2另外一端與運算放大器Ul的同相端、第六電阻R6的一端連接；第三電阻R3另一端與運算放大器Ul的反相端、第四電阻R4的一端連接；第四電阻R4的另一端與運算放大器Ul的輸出端、第五電阻R5的一端連接；第五電阻R5的另外一端與第六電阻R6的另一端連接并作為恒定電流輸出端。
[0016]鋸齒波積分電路包括第一比較器U2、NMOS開關(guān)管Q1，高速開關(guān)二極管D1、第一電容Cl、第二電容C2、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻RlO和第十一電阻Rll ;其中第七電阻R7 —端與VCCl電源連接，另一端與第一比較器U2的反相端、第八電阻R8的一端連接；第八電阻R8另一端與GNDl連接；第九電阻R9 —端與VCCl電源連接，另一端與第十電阻RlO的一端、高速開關(guān)二極管Dl的陽極連接；第十電阻RlO的另一端與第一比較器U2的輸出端連接；高速開關(guān)二極管Dl的陰極與開關(guān)管Ql的柵極、第二電容C2的一端、第i 電阻Rll的一端連接；第二電容C2的另一端與第^ 電阻Rll的另一端、NMOS開關(guān)管Ql的源極、第一電容Cl的一端連接并接GNDl ;第一電容Cl的另一端與NMOS開關(guān)管Ql的漏極、第一比較器U2的同相端連接并接恒定電流輸出端。
[0017]電壓調(diào)制比較 電路包括第二比較器U3和第十二電阻R12。第二比較器U3的同相端與恒定電流輸出端連接；第十二電阻R12—端與第二比較器U3的反相端連接，另一端與待測電壓輸入端連接。
[0018]高速光耦傳輸電路包括高速光耦U4、第十三電阻R13和第十四電阻R14 ;高速光耦U4的發(fā)光二極管的陰極與第二比較器U3的輸出端連接；第十三電阻R13的一端與VCCl電源連接，另一端與高速光耦U4的發(fā)光二極管的陽極連接；高速光耦U4的光敏三極管的集電極接VCC2電源；高速光耦U4的光敏三極管的發(fā)射極與第十四電阻R14的一端連接并作為PWM信號輸出端；第十四電阻R14另一端接GND2。
[0019]本實用新型首先通過基準源TL431產(chǎn)生一個高精度的基準源電壓，然后通過以運算放大器Ul為關(guān)鍵器件的單電源恒流源電路產(chǎn)生恒定輸出電流，電流方向為從第五電阻R5流向第一電容Cl。恒定電流的大小等于基準源TL431基準電壓與第五電阻R5的比值。
[0020]第七電阻R7和第八電阻R8將電源電壓分壓產(chǎn)生一個電壓基準Vref給第一比較器U2的反相端。第一電容Cl在恒定電流的充電之下,第一比較器U2的3腳上的電壓電高度線性上升。當?shù)谝槐容^器U2的同相端上的電壓低于反相端的電壓的時候，比較器輸出低電平，第九電阻R9和第十電阻RlO對電源進行分壓，第十電阻RlO上的電壓處于一個較小的電壓值，高速開關(guān)二極管Dl處于導(dǎo)通狀態(tài)。開關(guān)管Ql柵極電壓被高速開關(guān)二極管Dl柑位在一個特定的電壓值(這個特定電壓值小于開關(guān)管的開啟閾值電壓)，開關(guān)管處于截止狀態(tài)。當?shù)谝槐容^器U2的同相端上的電壓超過反相端上的參考電壓的瞬間，比較器輸出高阻狀態(tài)，此時，電源通過第九電阻R9、高速開關(guān)二極管Dl的途徑對開關(guān)管Ql柵極進行快速充電。當開關(guān)管Ql柵極電壓高于開啟閾值電壓的時候，開關(guān)管導(dǎo)通，第一電容Cl上的電荷泄放到地，電壓下降。當?shù)谝槐容^器U2的同相端上的電壓降低到小于反相端上的電壓的瞬間，比較器輸出低電平，第九電阻R9和第十電阻RlO對電源進行分壓，第十電阻RlO上的電壓處于一個較小的電壓值，由于此時高速開關(guān)二極管Dl陽極電壓小于陰極電壓，高速開關(guān)二極管Dl截止。開關(guān)管Ql柵極上的電壓通過第十一電阻Rll較緩地放電(相對于柵極充電過程)，第一電容Cl上的電壓降低到0V。當開關(guān)管Ql柵極上的電壓降低到低于開關(guān)管Ql的開啟閾值電壓后，開關(guān)管Ql截止，此時，第一電容Cl上的電壓又從OV開始線性上升。這個過程周期循環(huán)，產(chǎn)生高線性度的鋸齒波。
[0021]第二比較器U3的反相端接待測電壓輸入，同相端接有上述電路產(chǎn)生的高線性度鋸齒波。當鋸齒波電壓值小于待測電壓時，第二比較器U3輸出低電平，此時，高速光耦U4的發(fā)光二極管導(dǎo)通，對應(yīng)的光敏三極管導(dǎo)通；PWM輸出高電平。當鋸齒波電壓值大于待測電壓時，比較器輸出高阻狀態(tài)，此時，光耦發(fā)光二極管截止，對應(yīng)光敏三極管截止，PWM輸出低電平。
【權(quán)利要求】
1.隔離電壓采樣電路，包括單運放恒流源電路、鋸齒波積分電路、電壓調(diào)制比較電路和高速光稱傳輸電路； 其特征在于:所述的單運放恒流源電路包括運算放大器U1、基準源TL431、第一電阻R1、第二電阻R2，第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5和第六電阻R6 ;其中第一電阻Rl一端與VCCl電源連接，另外一端與基準源TL431芯片的陰極、第二電阻R2的一端連接；基準源TL431的陰極與其參考端連接，基準源TL431的陽極與第三電阻R3的一端連接并接GNDl ;第二電阻R2另外一端與運算放大器Ul的同相端、第六電阻R6的一端連接；第三電阻R3另一端與運算放大器Ul的反相端、第四電阻R4的一端連接；第四電阻R4的另一端與運算放大器Ul的輸出端、第五電阻R5的一端連接；第五電阻R5的另外一端與第六電阻R6的另一端連接并作為恒定電流輸出端； 鋸齒波積分電路包括第一比較器U2、NMOS開關(guān)管Ql,高速開關(guān)二極管D1、第一電容Cl、第二電容C2、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻RlO和第十一電阻Rll ；其中第七電阻R7 —端與VCCl電源連接，另一端與第一比較器U2的反相端、第八電阻R8的一端連接；第八電阻R8另一端與GNDl連接；第九電阻R9 —端與VCCl電源連接，另一端與第十電阻RlO的一端、高速開關(guān)二極管Dl的陽極連接；第十電阻RlO的另一端與第一比較器U2的輸出端連接；高速開關(guān)二極管Dl的陰極與開關(guān)管Ql的柵極、第二電容C2的一端、第H 電阻Rll的一端連接；第二電容C2的另一端與第^ 電阻Rll的另一端、NMOS開關(guān)管Ql的源極、第一電容Cl的一端連接并接GNDl ;第一電容Cl的另一端與NMOS開關(guān)管Ql的漏極、第一比較器U2的同相端連接并接恒定電流輸出端； 電壓調(diào)制比較電路包括第二比較器U3和第十二電阻R12 ;第二比較器U3的同相端與恒定電流輸出端連接；第十二電阻R12 —端與第二比較器U3的反相端連接，另一端與待測電壓輸入端連接； 高速光耦傳輸電路包括高速光耦U4、第十三電阻R13和第十四電阻R14 ;高速光耦U4的發(fā)光二極管的陰極與第二比較器U3的輸出端連接；第十三電阻R13的一端與VCCl電源連接，另一端與高速光耦U4的發(fā)光二極管的陽極連接；高速光耦U4的光敏三極管的集電極接VCC2電源；高速光耦U4的光敏三極管的發(fā)射極與第十四電阻R14的一端連接并作為PWM信號輸出端；第十四電阻R14另一端接GND2。
【文檔編號】G01R15/22GK203772933SQ201420104297
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】高明煜, 詹鑫鑫, 莊圣恩, 李蕓, 黃繼業(yè) 申請人:杭州電子科技大學(xué)