一种隔离电压采样电路.pdf

《一种隔离电压采样电路.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种隔离电压采样电路.pdf（7页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103869144 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103869144 A (21)申请号 201410083274.1 (22)申请日 2014.03.07 G01R 19/00(2006.01) G01R 15/22(2006.01) (71)申请人 杭州电子科技大学 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区 2 号大街 (72)发明人 高明煜 詹鑫鑫 庄圣恩 李芸 黄继业 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 杜军 (54) 发明名称 一种隔离电压采样电路 (57) 摘要 本发明公开了一种隔离电压采样电路。

2、。目前 精度高、 速度快的隔离采样方案成本都比较高。 本 发明包括单运放恒流源电路， 锯齿波积分电路， 电 压调制比较电路， 高速光耦传输电路。 单运放恒流 源电路产生高精度的恒定电流提供给锯齿波积分 电路， 锯齿波积分电路通过特殊的结构产生高线 性度的幅值可调的锯齿波。然后通过比较器比较 锯齿波与待测电压， 将待测电压调制成 PWM。最后 通过高速光耦将 PWM 传输到另外一个系统中 , 以 此实现电压的隔离采样。此电路采用一个单电源 供电即可 ； 通过改变少数相关元件参数， 可以灵 活调节采样周期和采样电压的动态范围。此电路 成本低， 精度高， 应用场合广泛。 (51)Int.Cl. 权利。

3、要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103869144 A CN 103869144 A 1/1 页 2 1. 一种隔离电压采样电路， 包括单运放恒流源电路、 锯齿波积分电路、 电压调制比较电 路和高速光耦传输电路 ； 其特征在于 ： 所述的单运放恒流源电路包括运算放大器 U1、 基准源 TL431、 第一电阻 R1、 第二电阻 R2, 第三电阻 R3、 第四电阻 R4、 第五电阻 R5 和第六电阻 R6 ； 其中第一电阻 R1 一端与 VCC1 电源连接， 另。

4、外一端与基准源 TL431 芯片的阴极、 第二电阻 R2 的一端连接 ； 基 准源 TL431 的阴极与其参考端连接， 基准源 TL431 的阳极与第三电阻 R3 的一端连接并接 GND1 ； 第二电阻R2另外一端与运算放大器U1的同相端、 第六电阻R6的一端连接 ； 第三电阻 R3 另一端与运算放大器 U1 的反相端、 第四电阻 R4 的一端连接 ； 第四电阻 R4 的另一端与运 算放大器 U1 的输出端、 第五电阻 R5 的一端连接 ； 第五电阻 R5 的另外一端与第六电阻 R6 的 另一端连接并作为恒定电流输出端 ； 锯齿波积分电路包括第一比较器 U2、 NMOS 开关管 Q1, 高速开。

5、关二极管 D1、 第一电容 C1、 第二电容 C2、 第七电阻 R7、 第八电阻 R8、 第九电阻 R9、 第十电阻 R10 和第十一电阻 R11 ； 其中第七电阻 R7 一端与 VCC1 电源连接， 另一端与第一比较器 U2 的反相端、 第八电阻 R8 的 一端连接 ； 第八电阻 R8 另一端与 GND1 连接 ； 第九电阻 R9 一端与 VCC1 电源连接， 另一端与 第十电阻 R10 的一端、 高速开关二极管 D1 的阳极连接 ； 第十电阻 R10 的另一端与第一比较 器 U2 的输出端连接 ； 高速开关二极管 D1 的阴极与开关管 Q1 的栅极、 第二电容 C2 的一端、 第十一电阻 。

6、R11 的一端连接 ； 第二电容 C2 的另一端与第十一电阻 R11 的另一端、 NMOS 开关 管 Q1 的源极、 第一电容 C1 的一端连接并接 GND1 ； 第一电容 C1 的另一端与 NMOS 开关管 Q1 的漏极、 第一比较器 U2 的同相端连接并接恒定电流输出端 ； 电压调制比较电路包括第二比较器 U3 和第十二电阻 R12 ； 第二比较器 U3 的同相端与 恒定电流输出端连接 ； 第十二电阻 R12 一端与第二比较器 U3 的反相端连接， 另一端与待测 电压输入端连接 ； 高速光耦传输电路包括高速光耦 U4、 第十三电阻 R13 和第十四电阻 R14 ； 高速光耦 U4 的发光二。

7、极管的阴极与第二比较器 U3 的输出端连接 ； 第十三电阻 R13 的一端与 VCC1 电源 连接， 另一端与高速光耦 U4 的发光二极管的阳极连接 ； 高速光耦 U4 的光敏三极管的集电 极接 VCC2 电源 ; 高速光耦 U4 的光敏三极管的发射极与第十四电阻 R14 的一端连接并作为 PWM 信号输出端 ； 第十四电阻 R14 另一端接 GND2。 权 利 要 求 书 CN 103869144 A 2 1/4 页 3 一种隔离电压采样电路 技术领域 0001 本发明属于电子技术领域， 具体涉及一种隔离电压采样电路。 背景技术 0002 电压采样在电力电子系统中常常起着非常重要的作用。对于。

8、共地的系统， 电压采 样相对简单 ； 对于互相隔离的系统， 电压的采样就困难很多。 传统的隔离系统中进行电压采 样主要有以下几种 ： 第一种， 将电压转化成电流， 再通过霍尔电流传感器传递后再转化成电 压， 最后进行电压采样， 这种方法精度高， 但是霍尔电流传感器较贵 ； 第二种， V/F 方式， 先 将电压通过专用集成芯片转化成频率， 再通过光耦合器传输给另外一个系统， 通过测量所 得到的脉冲的频率可以得到电压值， 这种方法缺点是每次采样时间随着脉冲频率变化而变 化， 无法满足实时控制的需要。第三种， 通过基于磁耦合原理的隔离放大器进行传输， 这种 方法精度高， 速度快， 但是相应隔离放大器。

9、非常昂贵。第四种， 通过线性光耦及相应外围电 路传输， 这种方法精度较高， 但是相应光耦较贵， 且传输电压动态范围很小， 易受温度影响。 发明内容 0003 本发明目的就是克服现有技术的不足， 提供一种隔离电压采样电路。 0004 本发明一种隔离电压采样电路包括单运放恒流源电路、 锯齿波积分电路、 电压调 制比较电路和高速光耦传输电路。 0005 单运放恒流源电路包括运算放大器 U1、 基准源 TL431、 第一电阻 R1、 第二电阻 R2, 第三电阻 R3、 第四电阻 R4、 第五电阻 R5 和第六电阻 R6。其中第一电阻 R1 一端与 VCC1 电 源连接， 另外一端与基准源TL431芯片。

10、的阴极、 第二电阻R2的一端连接 ； 基准源TL431的阴 极与其参考端连接， 基准源TL431的阳极与第三电阻R3的一端连接并接GND1 ； 第二电阻R2 另外一端与运算放大器 U1 的同相端、 第六电阻 R6 的一端连接 ； 第三电阻 R3 另一端与运算 放大器 U1 的反相端、 第四电阻 R4 的一端连接 ； 第四电阻 R4 的另一端与运算放大器 U1 的输 出端、 第五电阻 R5 的一端连接 ； 第五电阻 R5 的另外一端与第六电阻 R6 的另一端连接并作 为恒定电流输出端。 0006 锯齿波积分电路包括第一比较器 U2、 NMOS 开关管 Q1, 高速开关二极管 D1、 第一 电容 。

11、C1、 第二电容 C2、 第七电阻 R7、 第八电阻 R8、 第九电阻 R9、 第十电阻 R10 和第十一电阻 R11 ； 其中第七电阻 R7 一端与 VCC1 电源连接， 另一端与第一比较器 U2 的反相端、 第八电阻 R8 的一端连接 ； 第八电阻 R8 另一端与 GND1 连接 ； 第九电阻 R9 一端与 VCC1 电源连接， 另一 端与第十电阻 R10 的一端、 高速开关二极管 D1 的阳极连接 ； 第十电阻 R10 的另一端与第一 比较器 U2 的输出端连接 ； 高速开关二极管 D1 的阴极与开关管 Q1 的栅极、 第二电容 C2 的一 端、 第十一电阻 R11 的一端连接 ； 第二。

12、电容 C2 的另一端与第十一电阻 R11 的另一端、 NMOS 开关管 Q1 的源极、 第一电容 C1 的一端连接并接 GND1 ； 第一电容 C1 的另一端与 NMOS 开关 管 Q1 的漏极、 第一比较器 U2 的同相端连接并接恒定电流输出端。 0007 电压调制比较电路包括第二比较器 U3 和第十二电阻 R12。第二比较器 U3 的同相 说 明 书 CN 103869144 A 3 2/4 页 4 端与恒定电流输出端连接 ； 第十二电阻 R12 一端与第二比较器 U3 的反相端连接， 另一端与 待测电压输入端连接。 0008 高速光耦传输电路包括高速光耦U4、 第十三电阻R13和第十四电。

13、阻R14 ； 高速光耦 U4 的发光二极管的阴极与第二比较器 U3 的输出端连接 ； 第十三电阻 R13 的一端与 VCC1 电 源连接， 另一端与高速光耦U4的发光二极管的阳极连接 ； 高速光耦U4的光敏三极管的集电 极接 VCC2 电源 ; 高速光耦 U4 的光敏三极管的发射极与第十四电阻 R14 的一端连接并作为 PWM 信号输出端 ； 第十四电阻 R14 另一端接 GND2。 0009 本发明首先通过基准源 TL431 产生一个高精度的基准源电压， 然后通过以运算放 大器 U1 为关键器件的单电源恒流源电路产生恒定输出电流， 电流方向为从第五电阻 R5 流 向第一电容 C1。恒定电流的。

14、大小等于基准源 TL431 基准电压与第五电阻 R5 的比值。 0010 第七电阻 R7 和第八电阻 R8 将电源电压分压产生一个电压基准 Vref 给第一比较 器 U2 的反相端。第一电容 C1 在恒定电流的充电之下， 第一比较器 U2 的 3 脚上的电压电高 度线性上升。当第一比较器 U2 的同相端上的电压低于反相端的电压的时候， 比较器输出低 电平， 第九电阻 R9 和第十电阻 R10 对电源进行分压， 第十电阻 R10 上的电压处于一个较小 的电压值， 高速开关二极管 D1 处于导通状态。开关管 Q1 栅极电压被高速开关二极管 D1 拑 位在一个特定的电压值 （这个特定电压值小于开关管。

15、的开启阈值电压） ， 开关管处于截止状 态。当第一比较器 U2 的同相端上的电压超过反相端上的参考电压的瞬间， 比较器输出高阻 状态， 此时， 电源通过第九电阻 R9、 高速开关二极管 D1 的途径对开关管 Q1 栅极进行快速充 电。当开关管 Q1 栅极电压高于开启阈值电压的时候， 开关管导通 , 第一电容 C1 上的电荷 泄放到地， 电压下降。当第一比较器 U2 的同相端上的电压降低到小于反相端上的电压的瞬 间， 比较器输出低电平， 第九电阻 R9 和第十电阻 R10 对电源进行分压， 第十电阻 R10 上的电 压处于一个较小的电压值， 由于此时高速开关二极管 D1 阳极电压小于阴极电压， 。

16、高速开关 二极管 D1 截止。开关管 Q1 栅极上的电压通过第十一电阻 R11 较缓地放电 （相对于栅极充 电过程） ， 第一电容 C1 上的电压降低到 0V。当开关管 Q1 栅极上的电压降低到低于开关管 Q1 的开启阈值电压后， 开关管 Q1 截止， 此时， 第一电容 C1 上的电压又从 0V 开始线性上升。 这个过程周期循环， 产生高线性度的锯齿波。 0011 第二比较器 U3 的反相端接待测电压输入， 同相端接有上述电路产生的高线性度 锯齿波。当锯齿波电压值小于待测电压时， 第二比较器 U3 输出低电平， 此时， 高速光耦 U4 的发光二极管导通， 对应的光敏三极管导通 ； PWM 输出。

17、高电平。当锯齿波电压值大于待测电 压时， 比较器输出高阻状态， 此时， 光耦发光二极管截止， 对应光敏三极管截止， PWM 输出低 电平。 0012 本发明中的待采样电压就由上述电路转化成相应占空比的 PWM 信号， 通过光耦传 输到另一个隔离的系统中。在另外一个系统中可以采用多种方法测出 PWM 的占空比， 得到 相应的电压值。此电路采用方便的同一个单电源供电即可 ； 通过改变 R5 的值， 可以改变恒 流源的大小， 灵活调节采样周期 ； 通过改变R8的值， 可以灵活调节信号的采样最大幅度。 此 电路成本低， 精度高， 应用场合广泛。 附图说明 0013 图 1 是本发明的电路图。 说 明 。

18、书 CN 103869144 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0014 如图 1 所示， 本发明一种隔离电压采样电路包括单运放恒流源电路、 锯齿波积分 电路、 电压调制比较电路和高速光耦传输电路。 0015 单运放恒流源电路包括运算放大器 U1、 基准源 TL431、 第一电阻 R1、 第二电阻 R2, 第三电阻 R3、 第四电阻 R4、 第五电阻 R5 和第六电阻 R6。其中第一电阻 R1 一端与 VCC1 电 源连接， 另外一端与基准源TL431芯片的阴极、 第二电阻R2的一端连接 ； 基准源TL431的阴 极与其参考端连接， 基准源TL431的阳极与第三电阻R3的一端连接并接GND。

19、1 ； 第二电阻R2 另外一端与运算放大器 U1 的同相端、 第六电阻 R6 的一端连接 ； 第三电阻 R3 另一端与运算 放大器 U1 的反相端、 第四电阻 R4 的一端连接 ； 第四电阻 R4 的另一端与运算放大器 U1 的输 出端、 第五电阻 R5 的一端连接 ； 第五电阻 R5 的另外一端与第六电阻 R6 的另一端连接并作 为恒定电流输出端。 0016 锯齿波积分电路包括第一比较器 U2、 NMOS 开关管 Q1, 高速开关二极管 D1、 第一 电容 C1、 第二电容 C2、 第七电阻 R7、 第八电阻 R8、 第九电阻 R9、 第十电阻 R10 和第十一电阻 R11 ； 其中第七电阻。

20、 R7 一端与 VCC1 电源连接， 另一端与第一比较器 U2 的反相端、 第八电阻 R8 的一端连接 ； 第八电阻 R8 另一端与 GND1 连接 ； 第九电阻 R9 一端与 VCC1 电源连接， 另一 端与第十电阻 R10 的一端、 高速开关二极管 D1 的阳极连接 ； 第十电阻 R10 的另一端与第一 比较器 U2 的输出端连接 ； 高速开关二极管 D1 的阴极与开关管 Q1 的栅极、 第二电容 C2 的一 端、 第十一电阻 R11 的一端连接 ； 第二电容 C2 的另一端与第十一电阻 R11 的另一端、 NMOS 开关管 Q1 的源极、 第一电容 C1 的一端连接并接 GND1 ； 第。

21、一电容 C1 的另一端与 NMOS 开关 管 Q1 的漏极、 第一比较器 U2 的同相端连接并接恒定电流输出端。 0017 电压调制比较电路包括第二比较器 U3 和第十二电阻 R12。第二比较器 U3 的同相 端与恒定电流输出端连接 ； 第十二电阻 R12 一端与第二比较器 U3 的反相端连接， 另一端与 待测电压输入端连接。 0018 高速光耦传输电路包括高速光耦U4、 第十三电阻R13和第十四电阻R14 ； 高速光耦 U4 的发光二极管的阴极与第二比较器 U3 的输出端连接 ； 第十三电阻 R13 的一端与 VCC1 电 源连接， 另一端与高速光耦U4的发光二极管的阳极连接 ； 高速光耦U。

22、4的光敏三极管的集电 极接 VCC2 电源 ; 高速光耦 U4 的光敏三极管的发射极与第十四电阻 R14 的一端连接并作为 PWM 信号输出端 ； 第十四电阻 R14 另一端接 GND2。 0019 本发明首先通过基准源 TL431 产生一个高精度的基准源电压， 然后通过以运算放 大器 U1 为关键器件的单电源恒流源电路产生恒定输出电流， 电流方向为从第五电阻 R5 流 向第一电容 C1。恒定电流的大小等于基准源 TL431 基准电压与第五电阻 R5 的比值。 0020 第七电阻 R7 和第八电阻 R8 将电源电压分压产生一个电压基准 Vref 给第一比较 器 U2 的反相端。第一电容 C1 。

23、在恒定电流的充电之下， 第一比较器 U2 的 3 脚上的电压电高 度线性上升。当第一比较器 U2 的同相端上的电压低于反相端的电压的时候， 比较器输出低 电平， 第九电阻 R9 和第十电阻 R10 对电源进行分压， 第十电阻 R10 上的电压处于一个较小 的电压值， 高速开关二极管 D1 处于导通状态。开关管 Q1 栅极电压被高速开关二极管 D1 拑 位在一个特定的电压值 （这个特定电压值小于开关管的开启阈值电压） ， 开关管处于截止状 态。当第一比较器 U2 的同相端上的电压超过反相端上的参考电压的瞬间， 比较器输出高阻 说 明 书 CN 103869144 A 5 4/4 页 6 状态， 。

24、此时， 电源通过第九电阻 R9、 高速开关二极管 D1 的途径对开关管 Q1 栅极进行快速充 电。当开关管 Q1 栅极电压高于开启阈值电压的时候， 开关管导通 , 第一电容 C1 上的电荷 泄放到地， 电压下降。当第一比较器 U2 的同相端上的电压降低到小于反相端上的电压的瞬 间， 比较器输出低电平， 第九电阻 R9 和第十电阻 R10 对电源进行分压， 第十电阻 R10 上的电 压处于一个较小的电压值， 由于此时高速开关二极管 D1 阳极电压小于阴极电压， 高速开关 二极管 D1 截止。开关管 Q1 栅极上的电压通过第十一电阻 R11 较缓地放电 （相对于栅极充 电过程） ， 第一电容 C1。

25、 上的电压降低到 0V。当开关管 Q1 栅极上的电压降低到低于开关管 Q1 的开启阈值电压后， 开关管 Q1 截止， 此时， 第一电容 C1 上的电压又从 0V 开始线性上升。 这个过程周期循环， 产生高线性度的锯齿波。 0021 第二比较器 U3 的反相端接待测电压输入， 同相端接有上述电路产生的高线性度 锯齿波。当锯齿波电压值小于待测电压时， 第二比较器 U3 输出低电平， 此时， 高速光耦 U4 的发光二极管导通， 对应的光敏三极管导通 ； PWM 输出高电平。当锯齿波电压值大于待测电 压时， 比较器输出高阻状态， 此时， 光耦发光二极管截止， 对应光敏三极管截止， PWM 输出低 电平。 说 明 书 CN 103869144 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103869144 A 7 。