本實用新型涉及電氣設(shè)備監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字隔離電壓采集裝置。

背景技術(shù)：

電壓是數(shù)控領(lǐng)域中電氣設(shè)備監(jiān)測的重要參數(shù)，準(zhǔn)確可靠穩(wěn)定的電壓對維持電氣系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要，如動車只有保持穩(wěn)定的電壓才能穩(wěn)定運行，地鐵只有在確保足夠穩(wěn)定可靠的電壓下才能安全工作?，F(xiàn)有技術(shù)中主要采用電壓傳感器對電氣設(shè)備相關(guān)電壓進行測量，而目前常用的電壓傳感器主要分為非隔離式和隔離式兩大類：

如專利申請1公開的一種非隔離式電壓傳感器，該非隔離式電壓傳感器包括等效電阻，該等效電阻一端連接非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)，另一端通過導(dǎo)線穿過漏電流傳感器后接地，通過采集該等效電阻兩端的電壓壓降來計算加載在電壓傳感器兩端的電壓。

如專利申請2公開的一種隔離式電壓傳感器，該傳感器將變壓器的原邊第一輸入端接直流電壓、原邊第二輸入端接開關(guān)模塊，并由變壓器的副邊輸出采樣信號，即利用變壓器隔離特性將交流信號由采樣原邊耦合到次邊。

又如專利申請3公開的一種隔離運放采集電壓傳感器，該傳感器通過差分分壓電路降低輸入電壓并對分壓電路進行輸出阻抗匹配，并對輸入電壓進行隔離放大。

如專利申請1這類非隔離式電壓傳感器雖具有成本低、測量精度高、簡單可靠等特點，但其非隔離特性使得其不能勝任高壓測量應(yīng)用，適用范圍受限；專利申請2這類類傳統(tǒng)隔離式電壓傳感器，雖能通過變壓器解決隔離問題，但由于變壓器的匹配頻率需根據(jù)設(shè)計要求而定，不能適應(yīng)較大范圍的頻率變化，只能適用于如工頻50/60Hz信號采集這樣的固定頻率交流電壓采集領(lǐng)域；如專利申請3這類隔離運放采集電壓傳感器雖能很好的滿足直流和交流測量需要，能實現(xiàn)0-10kHz甚至更寬工頻的電壓采集功能，但受限于隔離運放本身的耐壓特性，當(dāng)運放前后級電壓超過3kV時，容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

專利申請1：申請?zhí)朲L201410232024.X，公開號CN103986192A，發(fā)明名稱《一種非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)》；

專利申請2：申請?zhí)朲L200910215307.2，公開號CN102103157A，發(fā)明名稱《直流電壓隔離采樣裝置》；

專利申請3：申請?zhí)朲L201610016708.5，公開號CN105572453A，發(fā)明名稱《一種電壓采集電子傳感器裝置》。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種既能滿足交直流電壓采樣需要，又能滿足高壓隔離應(yīng)用需求的采樣精度高且抗干擾能力強的數(shù)字隔離電壓采集裝置。

本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種數(shù)字隔離電壓采集裝置，包括：

電壓采樣模塊，用于將采樣的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；

轉(zhuǎn)換模塊，與所述電壓采樣模塊通信連接，配置為對所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進行編碼隔離，并形成所需頻帶的碼流；

解析模塊，配置為將所述碼流進行解碼抽樣并轉(zhuǎn)化成低速采樣數(shù)據(jù)；

處理模塊，設(shè)置于所述解析模塊后端，用于將所述低速采樣數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成所需的輸出電流。

進一步的，所述轉(zhuǎn)換模塊包括編碼模塊、與所述編碼模塊連接的隔離模塊，所述編碼模塊配置為對所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進行編碼，得到轉(zhuǎn)換后的編碼數(shù)據(jù)；所述隔離模塊配置為對通過的所述編碼數(shù)據(jù)提供電隔離，輸出所需頻率的碼流，以此將隔離電壓提高到數(shù)字通訊可實現(xiàn)的水平，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，提高了信號的抗干擾性。

進一步的，所述解析模塊包括解碼模塊和抽樣濾波模塊，所述解碼模塊對所述碼流進行解碼，得到兩路數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；所述抽樣濾波模塊配置為對所述兩路數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進行濾波抽樣并轉(zhuǎn)化成所述低速采樣數(shù)據(jù)。將碼流解碼成兩路數(shù)據(jù)，能保證數(shù)據(jù)的信噪比，并基于抽樣濾波，能有效濾除量化噪聲，保留輸入電壓的信號頻帶。

進一步的，所述編碼模塊為曼徹斯特編碼模塊，將所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成曼徹斯特編碼，增加了信號的輸送比特率。

進一步的，所述隔離模塊為高頻變壓器，用于對所述編碼數(shù)據(jù)進行隔離篩選，以傳送中頻或高頻形式的信號，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，且采用高頻變壓器能減小所需變壓器的尺寸，簡化了系統(tǒng)裝備。

進一步的，所述解碼模塊為CPLD部件，配置為將所述碼流解碼成時鐘信號和數(shù)據(jù)信號，進一步凈化了輸出的信號。

進一步的，所述電壓采樣模塊包括DELTA-SIGMA ADC采樣器中的調(diào)制部分，所述抽樣濾波模塊為數(shù)字抽樣/濾波器。

進一步的，所述處理模塊包括MCU處理模塊和電流轉(zhuǎn)換模塊，所述MCU處理模塊通過SPI總線獲取所述低速采樣數(shù)據(jù)，所述電流轉(zhuǎn)換模塊用于將所述MCU處理的電壓信號轉(zhuǎn)換成所需的輸出電流。

進一步的，所述MCU模塊包括MCU內(nèi)核、通過片內(nèi)總線與所述MCU內(nèi)核通信連接的片內(nèi)DAC，所述片內(nèi)DAC將MCU內(nèi)核傳遞的信號轉(zhuǎn)化成DAC電壓并輸出。

進一步的，所述CPLD部件通過自身的PWM發(fā)生器產(chǎn)生方波信號，通過耦合變壓器生成供電電壓，為電壓采樣模塊提供驅(qū)動電源，所述模擬輸入電壓由高壓電阻網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于：對電壓輸入信號進行編碼隔離，能有效將隔離電壓提高到所需水平，在滿足高壓隔離應(yīng)用需要的同時，能夠滿足交直流電壓采樣需要，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度采樣需要，提高信號抗干擾性。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路框圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細(xì)描述。

如圖1示出的數(shù)字隔離電壓采集裝置，包括：

電壓采樣模塊，用于將采樣的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，該模擬輸入電壓由高壓電阻網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供；該電壓采樣模塊包括DELTA-SIGMA ADC采樣器中的調(diào)制部分。

轉(zhuǎn)換模塊，與電壓采樣模塊通信連接，配置為對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進行編碼隔離，并形成所需頻帶的碼流；該轉(zhuǎn)換模塊包括編碼模塊、與編碼模塊連接的隔離模塊，編碼模塊為曼徹斯特編碼模塊，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成曼徹斯特編碼，增加了信號的輸送比特率；隔離模塊為高頻變壓器，通過對曼徹斯特編碼提供電隔離，進行隔離篩選，以傳送中頻或高頻形式的信號，將隔離電壓提高到數(shù)字通訊可實現(xiàn)的水平，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定，提高信號的抗干擾性和系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性；值得說明的是，采用高頻變壓器能減小所需變壓器的尺寸，簡化了系統(tǒng)裝備。

解析模塊，配置為將碼流進行解碼抽樣并轉(zhuǎn)化成低速采樣數(shù)據(jù)；該解析模塊包括解碼模塊和抽樣濾波模塊，解碼模塊對碼流進行解碼，得到時鐘信號和數(shù)據(jù)信號兩路數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的信噪比；在一個實施例中，該解碼模塊可為CPLD部件，也可以是FPGA，用于將隔離模塊輸出的信號解碼成時鐘信號和數(shù)據(jù)信號，進一步凈化輸出的信號；而抽樣濾波模塊則根據(jù)該兩路數(shù)據(jù)進行濾波抽樣，并將信號轉(zhuǎn)化成低速采樣數(shù)據(jù)，基于此，有效濾除量化噪聲，保留輸入電壓的信號頻帶。

處理模塊，設(shè)置在解析模塊后端，用于將低速采樣數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成所需的輸出電流，該處理模塊包括MCU處理模塊和電流轉(zhuǎn)換模塊，其中，MCU處理模塊通過SPI總線獲取低速采樣數(shù)據(jù)，該電流轉(zhuǎn)換模塊將MCU處理的電壓信號轉(zhuǎn)換成所需的輸出電流。在一個實施例中，MCU模塊包括MCU內(nèi)核、通過片內(nèi)總線與MCU內(nèi)核通信連接的片內(nèi)DAC，片內(nèi)DAC將MCU內(nèi)核傳遞的信號轉(zhuǎn)化成DAC電壓并輸出。

需說明的是，由于電壓采樣模塊需要驅(qū)動電壓，故在一個實施例中，通過CPLD部件自身的PWM發(fā)生器產(chǎn)生方波信號，通過耦合變壓器生成供電電壓，為電壓采樣模塊提供驅(qū)動電源。

本方案的具體處理過程為：首先采用Δ∑ADC過采樣原理實現(xiàn)原邊電壓采集，Δ∑ADC先將待采集電壓信號轉(zhuǎn)換為1bit高速數(shù)字量，并通過曼徹斯特編碼方式發(fā)送給CPLD和數(shù)字抽樣/濾波器，CPLD對Δ∑調(diào)制器的輸出數(shù)據(jù)進行曼切斯特解碼，解碼出數(shù)據(jù)和時鐘信號，并將這兩路信號發(fā)送到數(shù)字抽樣/濾波器；

數(shù)字抽樣/濾波器首先對1bit高速數(shù)據(jù)流進行sinc低通濾波，濾除Δ∑調(diào)制器的量化噪聲，保留輸入電壓的信號頻帶，然后以抽樣頻率Fd為間隔抽取采樣數(shù)據(jù)，將1bit高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成16bit高分辨率低速的采樣數(shù)據(jù)；

采樣數(shù)據(jù)(16bit)通過SPI串行總線發(fā)送給MCU芯片，MCU對采樣數(shù)據(jù)進行調(diào)理后，通過內(nèi)部總線向片內(nèi)DAC(12bit)發(fā)送輸出指令及數(shù)據(jù)，DAC將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓，并將電壓傳輸給電流輸出驅(qū)動電路，電流輸出驅(qū)動電路將電壓轉(zhuǎn)換為電流，輸出給后端負(fù)載；

MCU通過SPI串行總線讀取數(shù)字抽樣/濾波器寄存器中的16bit采樣數(shù)據(jù)，并進行偏置補償、溫度補償?shù)扔嬎愫?，得到對?yīng)的DAC數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給片內(nèi)DAC(12bit)；DAC接收到數(shù)據(jù)后，將12bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓，輸出給電流驅(qū)動電路，再由驅(qū)動電路將電壓轉(zhuǎn)換成輸入電壓對應(yīng)的輸出電流值。

傳統(tǒng)交流測量型電壓傳感器通過在一個隔離變壓器一端加載電壓初始信號，另一端通過隔離變壓器耦合傳能的原理，獲取不同比例的電壓信號，從而完成隔離采樣工作；這類測量法雖簡單可靠，但在引入變壓器后體積增大，成本增加，不能勝任變頻測量應(yīng)用；直流測量型電壓傳感器依據(jù)通電導(dǎo)線周圍存在磁場，用磁芯繞在通電導(dǎo)線周圍集聚磁能，通過霍爾采集磁能大小換算成電壓值輸出，雖然屬于非接觸式、應(yīng)用方便，但由于信號通路需要經(jīng)過磁場信號采集、磁電轉(zhuǎn)化等諸多流程，使得精度不準(zhǔn)。

相較于傳統(tǒng)方案而言，本申請基于曼徹斯特編碼將時鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息時，能將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ?，且每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，具有自同步能力和良好抗干擾性能特點，而將常用于局域網(wǎng)傳輸?shù)穆鼜厮固卮a流應(yīng)用于隔離電壓采樣中，既能滿足高壓隔離需要，又能降低產(chǎn)品設(shè)計、解決生產(chǎn)難點問題；且由于Δ∑ADC采用過采樣技術(shù)，能將輸入信號限制在一定的帶寬范圍之內(nèi)，基于輸入信號帶寬f0遠(yuǎn)小于采樣頻率fs的一半，抗混迭濾波的通帶到阻帶之間的過渡帶較寬特點，采用調(diào)試器將過采樣信號轉(zhuǎn)化為高速的數(shù)字信號，再由積分器實現(xiàn)累加，經(jīng)低通濾波得到模擬信號對應(yīng)的數(shù)字值，可以抑制ADC電路引入的采樣噪聲、降低非線性誤差，不僅滿足了高精度采樣需要，還能實現(xiàn)高壓隔離的功能。