基于時(shí)間比率pwm調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于時(shí)間比率PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路，以光電耦合電路為界分為兩部分，一部分主要由調(diào)理電路和PWM電路組成，直接與主電路連接；另一部分主要是積分路，直接與控制電路連接；第一和第二電源在電氣上相互獨(dú)立，兩部分電路通過光電耦合電路傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。本發(fā)明技術(shù)方案先將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，經(jīng)光電耦合作用于積分電路，再轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，不僅實(shí)現(xiàn)了主電路和控制電路的電氣隔離，還利用PWM脈沖及光電耦合的特性提高了傳輸信號(hào)的抗干擾能力；更進(jìn)一步，可以利用PWM脈沖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，通過增強(qiáng)PWM脈沖的強(qiáng)度，進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸，擴(kuò)大該電路的使用范圍。
【專利說明】基于時(shí)間比率PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)，更加具體地說，涉及一種電氣設(shè)備電參數(shù)檢測過程中的電氣隔離和擬制噪聲干擾的方法和測量電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多電氣設(shè)備中，電路往往由主電路(電力電路)和控制電路(電子電路)組成，主電路輸出能量做功，控制電路獲取主電路相關(guān)的信號(hào)(如電流、電壓、溫度、速度等)去控制主電路的能量輸出并顯示或記錄有關(guān)參數(shù)。主電路相關(guān)的信號(hào)一般要轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)以便于控制電路處理，其中可能會(huì)因?yàn)橹麟娐冯妷狠^高，電流較大，噪聲干擾等因素需要在主電路和控制電路之間設(shè)置電氣隔離措施及抗干擾電路，如附圖1所示的典型的電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0003]電氣隔離的目的主要是保護(hù)控制電路或隔離干擾信號(hào)，目前常用的電氣隔離方法有磁隔離和光電隔離兩類:磁隔離是利用磁場傳遞信號(hào)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的隔離，基本的傳遞路徑是電信號(hào)或其它信號(hào)轉(zhuǎn)化的電信號(hào)(主電路)一磁信號(hào)一電信號(hào)(控制電路)，兩邊的電信號(hào)沒有直接的電路聯(lián)系而實(shí)現(xiàn)隔離，如電流或電壓LEM傳感器；光電隔離是利用光傳遞信號(hào)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的隔離，基本的傳遞路徑是電信號(hào)或其它信號(hào)轉(zhuǎn)化的電信號(hào)(主電路)一光信號(hào)一電信號(hào)(控制電路)，兩邊的電信號(hào)也沒有直接的電路聯(lián)系而實(shí)現(xiàn)隔離，如線性光電耦合器件。采用磁隔離原理的傳感器相對于印刷線路板一般體積重量較大，一般不直接安裝在線路板上，其檢測信號(hào)通過線路連接到線路板(控制電路)，傳輸?shù)氖悄M量信號(hào)，易受干擾。線性光電耦合器件雖然體積重量較小，然而對于較大范圍變化的信號(hào)對器件的線性度有很高要求，不易調(diào)整，且其傳輸仍是模擬量信號(hào)，易受干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新的模擬量信號(hào)傳輸電路和方法，利用光電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路的電氣隔離，提高傳輸信號(hào)的抗干擾能力，使相關(guān)電路的設(shè)計(jì)安裝更為靈活。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0006]基于時(shí)間比率PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路，包括如下部分:
[0007]調(diào)理電路，與主電路相連，并將主電路電信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM電路要求的電信號(hào)；
[0008]PWM電路，接收調(diào)理電路傳出的電信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為第一脈沖序列；
[0009]光電耦合電路，接收PWM電路傳出的第一脈沖序列，并在其輸出端產(chǎn)生第二脈沖序列；
[0010]積分電路，接收光電耦合電路輸出的第二脈沖序列，并輸出最終電信號(hào)給控制電路；
[0011]第一電源(即電源I)為調(diào)理電路和P麗電路供電；第二電源(即電源2)為積分電路供電；所述第一電源和第二電源在電氣上相互獨(dú)立。[0012]所述PWM即pulse width modify的縮寫形式，由PWM電路輸出脈沖序列,脈沖的頻率保持不變，利用脈沖寬度的變化反映采集信號(hào)的變化。
[0013]具體來說，以光電耦合電路為界分為兩部分，左邊的部分主要由調(diào)理電路和PWM電路組成，直接與主電路連接，由電源I供電；右邊的部分主要是積分電路，直接與控制電路連接，由電源2供電；電源I和電源2，兩部分電路通過光電耦合電路傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
[0014]上述電路接到由主電路來的信號(hào)Vl(例如:經(jīng)分壓電阻降壓的電壓信號(hào)、分流器變換的電流信號(hào))，經(jīng)調(diào)理電路處理得到適合PWM電路要求的電壓信號(hào)V2 ;調(diào)理電路主要由放大電路組成，設(shè)其放大倍數(shù)為kl，則Vl = V2/kl。
[0015]模擬量的V2信號(hào)經(jīng)PWM電路轉(zhuǎn)換為峰值為Vcl (第一電源的電壓)、寬度為wl、周期為T的脈沖序列，其中V2 ~ wl/T, 二者之間的比例系數(shù)取決于PWM電路的結(jié)構(gòu)和特性，一旦PWM電路確定，則此比例系數(shù)也就確定了 ；不妨設(shè)此系數(shù)為k2，則V2 = k2X (wl/T)。
[0016]PWM電路產(chǎn)生的脈沖序列作用于光電稱合電路輸入端,在其輸出端也產(chǎn)生脈沖序列，脈沖峰值為Vc2 (第二電源的電壓)，周期不變，寬度為《2，脈沖序列的平均值為Vc2X(w2/T)，且可以認(rèn)為wl=w2 ;光電耦合電路輸出的脈沖序列作用于積分電路，使積分電路的積分時(shí)間常數(shù)>3T，輸出模擬量V3 (積分值)，則可近似認(rèn)為積分值與平均值相等
[0017]V3 = Vc2X (w2/T)
[0018]這樣就有
[0019]Vl = k2X V3/ (kl X Vc2)
[0020]因?yàn)橐坏╇娐反_定后，kl、k2和Vc2都是確定的值,只要測得V3的大小,就可以確定Vl的大小，從而實(shí)現(xiàn)對主電路信號(hào)的測量。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)方案提出一種新的模擬量信號(hào)傳輸電路和方法，先將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，經(jīng)光電耦合作用于積分電路，再轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，不僅實(shí)現(xiàn)了主電路和控制電路的電氣隔離，還利用PWM脈沖及光電耦合的特性提高了傳輸信號(hào)的抗干擾能力；可直接安裝到線路板上或獨(dú)立制作成線路板。更進(jìn)一步，可以利用PWM脈沖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，通過增強(qiáng)PWM脈沖的強(qiáng)度，進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸，擴(kuò)大該電路的使用范圍。噪聲信號(hào)一般較弱，頻率較高，而該電路中選擇合適的光電耦合電路，要求較強(qiáng)的脈沖信號(hào)，再加上其中的積分電路可以有效抑制噪聲信號(hào)。該電路適合相對穩(wěn)定的信號(hào)檢測，對于變化劇烈的信號(hào)必須通過提高PWM脈沖的頻率加以適應(yīng)，這會(huì)受到PWM電路器件、光電耦合電路器件等能力的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是現(xiàn)有的典型的電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中的有間斷的箭頭符號(hào)表示信號(hào)傳遞過程需要進(jìn)行電氣隔離。
[0023]圖2是本發(fā)明的電路的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖3是PWM控制原理簡要示意圖。
[0025]圖4是脈沖序列、積分輸出和平均值之間的關(guān)系示意圖。
[0026]圖5是利用本發(fā)明技術(shù)方案的電路結(jié)構(gòu)圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0028]如附圖2所示的電路結(jié)構(gòu)圖，其中以光電耦合電路為界分為兩部分，左邊的部分主要由調(diào)理電路和PWM電路組成，直接與主電路連接，由電源I供電；右邊的部分主要是積分路，直接與控制電路連接，由電源2供電；電源I和電源2在電氣上相互獨(dú)立，兩部分電路通過光電耦合電路傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
[0029]上述電路接到由主電路來的信號(hào)Vl(例如:經(jīng)分壓電阻降壓的電壓信號(hào)、分流器變換的電流信號(hào))，經(jīng)調(diào)理電路處理得到適合PWM電路要求的電壓信號(hào)V2 ;調(diào)理電路主要由放大電路組成，設(shè)其放大倍數(shù)為kl,則Vl =V2/kl。PWM即pulse width modify的縮寫形式，由電路輸出脈沖序列，脈沖的頻率保持不變，利用脈沖寬度的變化反映采集信號(hào)的變化。
[0030]模擬量的V2信號(hào)經(jīng)PWM電路轉(zhuǎn)換為峰值為Vcl (電源電壓)、寬度為wl、周期為T的脈沖序列，其中V2 wl/T, 二者之間的比例系數(shù)取決于PWM電路的結(jié)構(gòu)和特性，一旦PWM電路確定，則此比例系數(shù)也就確定了 ；不妨設(shè)此系數(shù)為k2，則V2 = k2X (wl/T)。
[0031]PWM電路產(chǎn)生的脈沖序列作用于光電稱合電路輸入端,在其輸出端也產(chǎn)生脈沖序列，脈沖峰值為Vc2 (電源電壓)，周期不變，寬度為w2，脈沖序列的平均值為Vc2X (w2/T),且可以認(rèn)為wl=w2 ;光電耦合電路輸出的脈沖序列作用于積分電路，使積分電路的積分時(shí)間常數(shù)>3T，輸出模擬量V3 (積分值)，則可近似認(rèn)為積分值與平均值相等
[0032]V3 = Vc2X (w2/T)
[0033]這樣就有
[0034]Vl = k2X V3/ (kl X Vc2)
[0035]因?yàn)橐坏╇娐反_定后，kl、k2和Vc2都是確定的值,只要測得V3的大小,就可以確定Vl的大小，從而實(shí)現(xiàn)對主電路信號(hào)的測量。如附圖3和4所示，只要積分時(shí)間常數(shù)足夠大，積分值的波動(dòng)趨于與平均值重合。
[0036]能夠符合本發(fā)明所述電路結(jié)構(gòu)原理的電路可以有多種選擇，下面舉一例具體電路說明。如附圖5所示，由運(yùn)算放大器N1、N2、PWM控制器SG3524、光電耦合器6N137為主組成了基于PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路。圖中的±15V電源電路與+ 5V電源電路相互獨(dú)立，無電氣連接；N1和N2都選用0P07運(yùn)算放大器。
[0037]輸入信號(hào)為由分流器轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)，分流器是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的器件，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)較弱，經(jīng)NI組成的反相放大電路放大，再經(jīng)N2組成的比例加法器電路整定，信號(hào)輸入到PWM控制器SG3524 — 2 ;經(jīng)？麗控制器信號(hào)變換為頻率和周期固定的脈沖序列在SG3524 — 11輸出，脈沖信號(hào)的周期由電阻Rt和電容Ct確定為40 μ s，Rt和Ct的大小可參考SG3524使用說明確定；SG3524 — 11輸出的脈沖序列作用于光電耦合器6N137 —
3,最終在6N137 — 6仍輸出脈沖序列；該脈沖序列作用于積分電路,積分電路由電阻R1、R2、電容C1和一個(gè)二極管組成，RpR2的取值都應(yīng)在IK Ω以上J1C1決定電容C1充電時(shí)間常數(shù)，R2C1決定電容C1放電時(shí)間常數(shù)，使充放電常數(shù)都大于2ms，該電路比較適合輸入信號(hào)變化頻率為5000Hz以下時(shí)的情況。
[0038]上述電路與原理電路的對應(yīng)關(guān)系如下:分流器轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)可視作原理電路的Vl ；N1和N2為主的兩個(gè)電路綜合放大倍數(shù)可視作kl ；SG3524 一 2的輸入信號(hào)可視作V2 +
I(SG3524要求的輸入電壓范圍為I?3.5V，N2為核心的比例加法電路整定時(shí)在所傳輸信號(hào)上加1￥)^2在0~2.5V之間變化時(shí)，脈沖寬度在(O~45%)Χ40μ s之間成比例變化，由此可確定k2 ;Vc2 = 5V，Vcl = 15V ;電容C1處的輸出信號(hào)可視作V3。根據(jù)上述確定的值，可利用理論公式進(jìn)行計(jì)算，由測得的V3確定輸入的VI。
[0039] 以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。`
【權(quán)利要求】
1.基于時(shí)間比率PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，包括如下部分: 調(diào)理電路，與主電路相連，并將主電路電信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM電路要求的電信號(hào)； PWM電路，接收調(diào)理電路傳出的電信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為第一脈沖序列； 光電I禹合電路，接收PWM電路傳出的第一脈沖序列，并在其輸出端產(chǎn)生第二脈沖序列； 積分電路，接收光電耦合電路輸出的第二脈沖序列，并輸出最終電信號(hào)給控制電路； 第一電源為調(diào)理電路和PWM電路供電；第二電源為積分電路供電；所述第一電源和第二電源在電氣上相互獨(dú)立。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間比率PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述主電路電信號(hào)為電壓信號(hào)VI，所述調(diào)理電路將電壓信號(hào)處理得到適合PWM電路要求的模擬電壓信號(hào)V2 ； 所述模擬電壓信號(hào)經(jīng)PWM電路轉(zhuǎn)換為脈沖峰值為第一電源電壓Vcl、寬度為《1、周期為T的第一脈沖序列； 所述PWM電路產(chǎn)生的第一脈沖序列作用于光電稱合電路的輸入端,在其輸出端產(chǎn)生第二脈沖序列，其脈沖峰值為第二電源電壓Vc2，周期為T，寬度為《2，脈沖序列的平均值為Vc2X (w2/T)，且可以認(rèn)為 wl=w2 ; 所述光電耦合電路輸出的第二脈沖序列作用于積分電路，使積分電路的積分時(shí)間常數(shù)>3T，輸出最終電信號(hào)V3，所述最終電信號(hào)為通過積分獲得的模擬量(積分值)，則近似認(rèn)為積分值與平均值相等V3 = Vc2X (w2/T)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時(shí)間比率PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，通過測得所述最終電信號(hào)V3的大小以確定所述主電路電信號(hào)VI，從而實(shí)現(xiàn)對主電路信號(hào)的測量。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的基于時(shí)間比率PWM調(diào)制的模擬量光電隔離轉(zhuǎn)換電路在實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路電氣隔離中的應(yīng)用，將主電路模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，經(jīng)光電耦合作用于積分電路，再轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)傳輸給控制電路。
【文檔編號(hào)】H03K19/14GK103595398SQ201310539827
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】楊立軍, 田麗峰, 劉桐, 王會(huì)超, 焦嬌, 杜笑, 李桓 申請人:天津大學(xué)