一種高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，包括電壓偏置模塊、電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、有源濾波模塊以及偏置復(fù)原模塊；所述電壓偏置模塊用于對(duì)輸入信號(hào)施加偏置電壓，獲得第一電壓信號(hào)；所述電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊用于將第一電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所述頻率信號(hào)，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊用于將所述頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二電壓信號(hào)，所述有源濾波模塊用于濾除所述第二電壓信號(hào)中的鋸齒波噪聲，將其還原；所述偏置復(fù)原模塊用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號(hào)中移除偏置電壓。本發(fā)明的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，信號(hào)還原效果好，精度高，信號(hào)延時(shí)低，成本低，滿足大多數(shù)高壓信號(hào)的隔離傳輸要求。
【專利說明】
一種高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于高壓隔離領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子回旋共振加熱（Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系統(tǒng)可用于 等離子體的加熱。整個(gè)ECRH系統(tǒng)是處于-80kV的高壓平臺(tái)上，最小隔離度要求是100kV，一些 參數(shù)不變的電源連接可以通過隔離變實(shí)現(xiàn)高壓隔離。然而，即使是高壓線性隔離光耦，其隔 離度最多也只能做到幾十個(gè)千伏，因此基于控制信號(hào)和采樣信號(hào)的隔離傳輸，分離式的光 電隔離手段必不可少。此外，采樣信號(hào)也需要在幾百微秒之內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，最大延時(shí)都不 能超過lms，要求高的采樣信號(hào)時(shí)間甚至小于0.2ms。
[0003] 而現(xiàn)有的一些光電隔離手段雖然有不少，但如TC9401等轉(zhuǎn)換芯片難以到響應(yīng)時(shí)間 的要求。同時(shí)，在頻率電壓的轉(zhuǎn)換過程中，由于頻率電壓轉(zhuǎn)換芯片本身性質(zhì)，電壓模擬信號(hào) 容易產(chǎn)生鋸齒噪聲，鋸齒波頻率與F-V時(shí)的轉(zhuǎn)換頻率一致，未濾波之前的幅值最大幾百毫 伏。當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)(V IN = 0.1V)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換頻率較低(如選用40kHz/1V的比率，則0.1V對(duì) 應(yīng)的頻率f$4kHz)，此時(shí)f〈fQ，鋸齒噪聲分量無法濾掉。因此在信號(hào)復(fù)原時(shí)，電壓模擬信號(hào) 除了幅值與原信號(hào)一致的基波之外，還夾雜著圍繞基波擾動(dòng)的鋸齒波。在小于0.2V小信號(hào) 傳輸或者穩(wěn)定度要求高的場(chǎng)合下，電壓模擬信號(hào)難以穩(wěn)定的得到還原。此外，由于直接選用 發(fā)光二極管和光電二極管較難匹配，封裝不易，和光纖的連接實(shí)現(xiàn)也不方便，綜上所述，當(dāng) 前的模擬電路隔離方案難以滿足延遲低、精度高和還原性好的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中不能實(shí)現(xiàn)小信號(hào)傳輸以及穩(wěn)定性不好的缺陷，本發(fā)明的目的在于 解決以上技術(shù)問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，所述高壓信號(hào)隔離 傳輸系統(tǒng)包括電壓偏置模塊、電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、有 源濾波模塊以及偏置復(fù)原模塊；
[0006] 所述電壓偏置模塊的輸出端連接所述電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊的輸入端，所述電壓頻率 轉(zhuǎn)化模塊的輸出端連接所述電隔離傳輸模塊的輸入端，所述電隔離傳輸模塊的輸出端連接 所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述有源濾波模塊 的輸入端，所述有源濾波模塊的輸出端連接所述偏置復(fù)原模塊的輸入端，所述偏置復(fù)原模 塊的輸出端作為所述隔離傳輸系統(tǒng)的輸出端；
[0007] 所述電壓偏置模塊用于對(duì)輸入信號(hào)施加偏置電壓，獲得第一電壓信號(hào);所述電壓 頻率轉(zhuǎn)化模塊用于將第一電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所 述頻率信號(hào)，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊用于將所述頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二電壓信號(hào)，所述有源 濾波模塊用于濾除所述第二電壓信號(hào)中的鋸齒波噪聲，將其還原為第一電壓信號(hào);所述偏 置復(fù)原模塊用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號(hào)中移除偏置電壓，完成所述高壓 信號(hào)的隔離傳輸。
[0008] 優(yōu)選地，所述偏置電壓的大小為1.7 5 V~5 V。
[0009] 優(yōu)選地，所述高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)還包括信號(hào)歸一化模塊，所述信號(hào)歸一化模 塊設(shè)置于所述電壓偏置模塊的前端，其輸入端作為所述隔離傳輸系統(tǒng)的輸入端，輸出端連 接所述電壓偏置模塊的輸入端，用于將電壓信號(hào)調(diào)整至工作區(qū)間并輸出，所述歸一化模塊 為衰減電路或者放大電路。
[0010] 優(yōu)選地，所述電壓偏置模塊包括第一電壓基準(zhǔn)單元以及偏置加壓?jiǎn)卧?，所述第?電壓基準(zhǔn)單元的輸出端連接所述偏置加壓?jiǎn)卧牡谝惠斎攵?，所述偏置加壓?jiǎn)卧牡牡诙?輸入端作為所述電壓偏置模塊的輸入端，輸出端作為所述電壓偏置模塊的輸出端;所述第 一電壓基準(zhǔn)單元用于提供波動(dòng)小于2mV的穩(wěn)定的偏置電壓;所述偏置加壓?jiǎn)卧糜趯⑺?偏置電壓施加于電壓信號(hào)，獲得第一電壓信號(hào)。
[0011] 優(yōu)選地，所述偏置復(fù)原模塊包括第二電壓基準(zhǔn)單元以及偏置移除單元，所述第二 電壓基準(zhǔn)單元的輸出端連接所述偏置移除單元的第一輸入端，用于提供波動(dòng)小于2mV的穩(wěn) 定的偏置電壓;所述偏置移除單元的第二輸入端作為所述偏置復(fù)原模塊的輸入端，所述偏 置移除單元的輸出端作為所述偏置復(fù)原模塊的輸出端，用于從所述有源濾波模塊還原的第 一電壓信號(hào)中移除偏置電壓并輸出。
[0012] 優(yōu)選地，所述電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊將所述第一電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的轉(zhuǎn)換率為 lV/20kHz~lV/50kHz。
[0013]優(yōu)選地，所述電隔離傳輸模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊以及電光轉(zhuǎn)換模塊，所述光電轉(zhuǎn) 換模塊的輸入端作為所述電光轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述電光 轉(zhuǎn)換模塊的輸入端之間通過光纖連接，所述電光轉(zhuǎn)換模塊的輸出端作為所述電光轉(zhuǎn)換模塊 的輸出端;所述光電轉(zhuǎn)換模塊用于將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，所述電光轉(zhuǎn)換模塊用于將光 信號(hào)還原為頻率信號(hào)。
[0014] 優(yōu)選地，所述第一電壓信號(hào)與所述第二電壓信號(hào)的比值為1.58~1:1。
[0015] 優(yōu)選地，所述有源濾波模塊為二階濾波模塊。
[0016] 優(yōu)選地，所述有源濾波模塊濾除所述鋸齒波噪聲的截止頻率為6kHz~20kHz。
[0017] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：
[0018] 1、本發(fā)明的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)的全部模塊為模擬器件，不需要DSP等控制芯 片，無需編程，全過程處理的電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，輸出信號(hào)可以直接作用于比較器等CMOS 和TTL電平芯片，也可以直接由示波器探頭采樣來直接觀察到實(shí)際電壓；
[0019] 2、本發(fā)明通過電壓偏置模塊對(duì)電壓信號(hào)加入偏置電壓，偏置電壓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換頻率 在100kHz左右，可以通過濾波處理將頻率電壓轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的鋸齒噪聲濾掉，噪聲衰減可 達(dá)40dB以上，再經(jīng)過后續(xù)移除偏置電壓，可將小信號(hào)很好的還原出來，經(jīng)驗(yàn)證對(duì)于小于0.2V 的小信號(hào)有很好的還原效果；電壓偏置模塊、有源濾波模塊以及偏置復(fù)原模塊的工作之間 相互獨(dú)立，并與中間環(huán)節(jié)的電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊、電隔離傳輸模塊以及頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊共 同配合完成高壓信號(hào)的隔離傳輸；
[0020] 3、本發(fā)明的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高壓模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，經(jīng)驗(yàn)證，高 壓模擬信號(hào)傳輸?shù)木瘸^99.5%，且對(duì)高壓模擬信號(hào)大小和波形均具有較好的還原效 果，即使在選用l〇〇m的光纖時(shí)，信號(hào)延時(shí)仍低于150沾，完全可以隔離100kV以上的電壓，遠(yuǎn) 優(yōu)于設(shè)計(jì)繁瑣穩(wěn)定性不足的高壓線性光耦，能滿足大多數(shù)高壓信號(hào)的隔離傳輸要求；
[0021] 4、本發(fā)明的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)通過有源濾波模塊進(jìn)行濾波，效果優(yōu)于簡(jiǎn)單的 RC濾波器，同時(shí)該發(fā)明作為一種通用的高壓信號(hào)隔離傳輸方案，可廣泛應(yīng)用于電氣相關(guān)領(lǐng) 域；
[0022] 5、本發(fā)明的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化大批量 生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的信號(hào)歸一化模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的電壓偏置模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的電隔離傳輸模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的有源濾波模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的偏置復(fù)原模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0032] 本發(fā)明提供了一種高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，所述高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)包括電壓 偏置模塊、電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、有源濾波模塊以及偏 置復(fù)原模塊等，如圖1所示；
[0033] 所述電壓偏置模塊的輸入端作為所述隔離傳輸系統(tǒng)的輸入端，輸出端連接所述電 壓頻率轉(zhuǎn)化模塊的輸入端，用于對(duì)電壓信號(hào)施加的偏置電壓，獲得第一電壓信號(hào)并輸出；施 加的偏置電壓的幅度與前端輸入的電壓信號(hào)、后端電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊的轉(zhuǎn)換率以及有源濾 波模塊的截止頻率f〇都有關(guān)，由于電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊的轉(zhuǎn)換率一般為1V/40KHZ，有源濾波 模塊的截止頻率f〇為7KHz，為了保證信號(hào)傳輸?shù)木珳?zhǔn)，偏置電壓需要大于10倍fo X電壓頻率 轉(zhuǎn)化模塊的轉(zhuǎn)換率，偏置電壓需要大于1.75V;同時(shí)，由于前端輸入的電壓信號(hào)為0V~5V，偏 置電壓通常小于5V;
[0034] 所述電壓偏置模塊包括第一電壓基準(zhǔn)單元以及偏置加壓?jiǎn)卧?，所述第一電壓基?zhǔn) 單元的輸出端連接所述偏置加壓?jiǎn)卧牡谝惠斎攵?所述偏置加壓?jiǎn)卧牡诙斎攵俗鳛?所述電壓偏置模塊的輸入端，所述偏置加壓?jiǎn)卧妮敵龆俗鳛樗鲭妷浩媚K的輸出 端;所述第一電壓基準(zhǔn)單元通常采用一電壓基準(zhǔn)芯片，用于提供波動(dòng)小于2mV穩(wěn)定的偏置電 壓，以保證在高壓信號(hào)經(jīng)過偏置電壓的施加，以及后續(xù)的移除，能保持較高的精度，所述電 壓偏置模塊用于將所述偏置電壓施加于電壓信號(hào)，獲得第一電壓信號(hào)并輸出；
[0035] 所述電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊的輸出端連接所述電隔離傳輸模塊的輸入端，用于將第一 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)并輸出；為了兼顧延時(shí)和濾波效果，通常轉(zhuǎn)換率為lV/20kHz~IV/ 50kHz，當(dāng)取lV/20kHz時(shí)，濾波效果更優(yōu)，當(dāng)取lV/50kHz時(shí)，延時(shí)效果更優(yōu)；
[0036] 所述電隔離傳輸模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊以及電光轉(zhuǎn)換模塊，所述電隔離傳輸模塊 包括光電轉(zhuǎn)換模塊以及電光轉(zhuǎn)換模塊，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的輸入端作為所述電光轉(zhuǎn)換模塊 的輸入端，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述電光轉(zhuǎn)換模塊的輸入端之間通過光纖連接， 用于將帶有頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)并輸出；所述電光轉(zhuǎn)換模塊的輸出端作為所述電光轉(zhuǎn)換 模塊的輸出端連接所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，用于將光信號(hào)還原為頻率信號(hào)并輸 出；所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所述頻率信號(hào);光纖的長(zhǎng)度則根據(jù)所需傳輸?shù)碾妷?大小而定，通常光纖越長(zhǎng)，隔離效果越好，但信號(hào)的延時(shí)會(huì)變長(zhǎng);本發(fā)明的電隔離傳輸模塊 在選用100m的光纖時(shí)，信號(hào)延時(shí)仍小150ys，因此可隔離高達(dá)100kV以上的電壓；
[0037] 所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述有源濾波模塊的輸入端，用于將所述頻 率信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)并輸出，第二電壓信號(hào)和第一電壓信號(hào)可相同或不同，當(dāng)兩者 相同時(shí)，有源濾波模塊只需要起到濾波作用即可，當(dāng)兩者不同時(shí)，兩者產(chǎn)生的差異可由有源 濾波模塊對(duì)第二電壓信號(hào)進(jìn)行放大還原為第一電壓信號(hào)，由于頻率電壓的轉(zhuǎn)換率和電壓頻 率的轉(zhuǎn)換率之間相差不能超過1.58,因此通常第一電壓信號(hào)與所述第二電壓信號(hào)的比值為 1.58 ~1:1;
[0038] 所述有源濾波模塊的輸出端連接所述偏置復(fù)原模塊的輸入端，用于濾除所述第二 電壓信號(hào)中的鋸齒波噪聲，同時(shí)將其放大還原為第一電壓信號(hào)并輸出，（但當(dāng)?shù)诙妷盒盘?hào) 與第一電壓信號(hào)完全相同時(shí)，則只需單純?yōu)V波，而無需經(jīng)過還原步驟)所述有源濾波模塊優(yōu) 選為二階濾波模塊，其截止頻率設(shè)置可根據(jù)電壓頻率轉(zhuǎn)換比率以及所施加的偏置電壓大小 來定，綜合上面兩個(gè)因素，截止頻率的范圍一般在6kHz~20kHz，可以實(shí)現(xiàn)鋸齒波噪聲十倍 頻程-40dB衰減而基準(zhǔn)波不受影響的效果；
[0039]所述偏置復(fù)原模塊通常包括第二電壓基準(zhǔn)單元以及偏置移除單元，所述偏置復(fù)原 模塊包括第二電壓基準(zhǔn)單元以及偏置移除單元，所述第二電壓基準(zhǔn)單元的輸出端連接所述 偏置移除單元的第一輸入端;所述偏置移除單元的第二輸入端作為所述偏置復(fù)原模塊的輸 入端，所述偏置移除單元的輸出端作為所述偏置復(fù)原模塊的輸出端;所述第二電壓基準(zhǔn)單 元可采用和第一電壓基準(zhǔn)單元相同的電壓基準(zhǔn)芯片，用于提供和第一電壓基準(zhǔn)單元相同的 穩(wěn)定的偏置電壓，所述偏置移除單元用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號(hào)中移除 偏置電壓并輸出。
[0040]當(dāng)所述高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)輸入的前端電壓信號(hào)需要前端放大或衰減時(shí)，該系 統(tǒng)還可以包括信號(hào)歸一化模塊，所述信號(hào)歸一化模塊設(shè)置于所述電壓偏置模塊的前端，其 輸入端作為所述隔離傳輸系統(tǒng)的輸入端，輸出端連接所述電壓偏置模塊的輸入端，用于將 電壓信號(hào)調(diào)整至工作區(qū)間并輸出，所述歸一化模塊為衰減電路或者放大電路，用于將前端 電壓信號(hào)放大或衰減至5V~8V左右的信號(hào)區(qū)間。
[0041 ] 實(shí)施例1
[0042]實(shí)施例1的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)由信號(hào)歸一化模塊、電壓偏置模塊、電壓頻率轉(zhuǎn) 化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、有源濾波模塊以及偏置復(fù)原模塊依次連接而 成；
[0043]圖2為實(shí)施例1的信號(hào)歸一化模塊，該信號(hào)歸一化模塊為衰減電路，由Rn、R12、R13、 R14、Ri5和15V供電元件IC1(后續(xù)裝置中的IC21、IC22、IC6和IC7均與IC1作用相同）組成;其 中，Ri4 = Ri5 = Rii，
i，該處的衰減主要針對(duì)100kV/100V上RC分壓 器輸出低壓側(cè)信號(hào)(〇~100V);可以看出，Rn的第一端與Ri3的第一端以及IC1的負(fù)極共地， R12的第一端與Rn的第二端連接，作為信號(hào)歸一化模塊的輸入端，R12的第二端連接R 13的第二 端以及Ri4的第一端;Rn、R12、R13構(gòu)成了 型衰減電路，在這里，Rn為衰減電路輸入端的輸入 阻抗，衰減器的衰減比率N=10。根據(jù)前端分壓器的測(cè)試結(jié)果，Rn阻值為100kQ，根據(jù)31型衰 減電路網(wǎng)絡(luò)的電路原理：
QRl4的第二端連接 1C 1的正極以及Rl5的第一端，IC1以及Rl5的第二端連接，共同作為信號(hào)歸一化模塊的輸出 端，R14與R15構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，使衰減后的電壓幅值不再隨著輸出阻抗的變化而波動(dòng)， 取值令Rl4 = Rl5 = Rll即可。
[0044] 圖3為實(shí)施例1的電壓偏置模塊，該電壓偏置模塊由電壓基準(zhǔn)單元以及偏置加壓?jiǎn)?元組成，偏置加壓?jiǎn)卧ǚ聪蚣臃ㄆ饕约半妷悍聪嗥?，電壓基?zhǔn)單元、反向加法器以及電 壓反相器依次連接：電壓基準(zhǔn)單元由5v的電壓通過接口 2和接口 3向Ref 192電壓基準(zhǔn)芯片供 電，Ref 192電壓基準(zhǔn)芯片接口 2還連接有并聯(lián)的10y和O.ly的電容的第一端，并聯(lián)的10y和 〇. ly的電容的第二端接地，其中，1 〇y的極性電容用于濾波，使電平更加穩(wěn)定，〇. ly電容用于 去耦和消除高頻噪聲;Ref 192電壓基準(zhǔn)芯片的接口 6同樣連接有并聯(lián)的ly和O.ly的電容的 第一端，且作為電壓基準(zhǔn)單元的輸出端與反向加法器的第一輸入端連接，并聯(lián)的ly和o.ly 的電容的第二端接地，ly的極性電容用于確保芯片輸出性能可靠，o.iy的電容與之并聯(lián)，用 于改善電路的暫態(tài)特性，得到高穩(wěn)定度的電壓輸出；該電壓基準(zhǔn)單元輸出一個(gè)高穩(wěn)定度的 2.5V電壓，與輸入信號(hào)Vin2-起作用于運(yùn)放；
[0045] 圖3可見，R22的第一端作為所述反向加法器的第二輸入端，并作為所述電壓偏置模 塊輸入端，R21的第一端作為所述反向加法器的第一輸入端，R22和R21的第二端連接IC21的負(fù) 極以及R 23的第一端，IC21的正極接地，輸出端連接R23的第二端，且作為反向加法器的輸出 端連接電壓反相器的輸入端，R21、R22、R23將信號(hào)電平抬升2.5V并翻轉(zhuǎn)，輸入輸出方程為
，因而_V〇ut21 = Vin2+2 ? 5，其中Vin2 = V〇utl;
[0046] R24的第一端作為電壓反相器的輸入端，輸出端連接IC22的負(fù)極以及R25的第一端， IC22的正極接地，IC22的輸出端與R25的第二端連接，共同作為電壓偏置模塊的輸出端，由于 R24 = R25,從而實(shí)現(xiàn)￥。11*2 =，。11*21 = ￥^2+2.5，至此電壓抬升的目的得以實(shí)現(xiàn)，零輸入時(shí)輸出 電壓為2.5V，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換頻率為100kHz，有助于后續(xù)濾波環(huán)節(jié)的信號(hào)處理。
[0047]圖4為實(shí)施例1的電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊，該模塊采用了選擇AD650芯片，正向輸入為V-F電路;芯片的接口 1與接口 3與積分電容CINT并聯(lián)，接口 2接地，輸入電阻RIN的第一端為電壓 頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，RIN由兩個(gè)串聯(lián)的電阻R31、R32組成，R IN的第二端連接接口 3，芯片的 接口 5連接15V電壓源的負(fù)極以及0. ly的電容的第一端，0. ly電容的第二端接地;兩個(gè)定時(shí) 電容Cos和CQS2的第一端共地，第二端通過按鈕開關(guān)相互連接，且Cos的第二端連接至接口 6; 接口 13與接口 14與20k的滑動(dòng)電阻并聯(lián)，接口 12與另一0. ly的電容的第一端連接，且同時(shí)連 接15V電壓源的負(fù)極，該接口還連接有250k電阻的第一端，205k電阻的第二端連接20k的滑 動(dòng)電阻的滑動(dòng)端;接口 11連接0. ly的電容的第二端，同時(shí)連接模擬地;接口 10連接數(shù)字地， 同時(shí)連接ly的電容的第一端，ly的電容的二端連接l k電阻的第一端以及5V的電源;接口 9連 接接口 1，接口 8連接lk電阻的第二端且同時(shí)作為該電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸出端
[0048]其主要參數(shù)選取如下：IIN = VIN3/RIN: t〇s = C〇s X 6.8 X 103sec/F+3.0 X 10-7s。
[0052]在該實(shí)施例的電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊中，僅需確定四個(gè)外接元件，即輸入電阻Rin、定時(shí) 電容Cos、邏輯電阻（即圖4中與5V電壓連接的lk電阻）、積分電gCINT。其中邏輯電阻作為上拉 電阻，應(yīng)使V-F芯片內(nèi)部晶體管電流小于8mA，如選用5V邏輯電源，邏輯電阻應(yīng)不低于5V/8mA = 625 0和Cos決定了滿度頻率和輸入電壓范圍，同時(shí)也決定了非線性度的大小，一般說 來，Cos越大，輸入電流越小(RIN越大），非線性越小。積分電容C INT僅決定復(fù)位周期電壓的高 低，其參考值按下式選?。?br>°基于以上的推算，主要參數(shù)選擇:Cos 選擇100pF電容，此時(shí)輸入電阻Rin大小在26kQ左右，優(yōu)選的本電路設(shè)計(jì)中采用了 10kQ電阻 與20kQ電阻串聯(lián)方式，方便阻值調(diào)節(jié)，Cint選擇1000pF電容，Rin選擇1 kQ電阻，轉(zhuǎn)換比為1V/ 40kHz〇
[0053]圖5為實(shí)施例1的電隔離傳輸模塊，該電隔離傳輸模塊由電光(E/0)轉(zhuǎn)換模塊以及 光電（0/E)轉(zhuǎn)換模塊組成：依次由邏輯門器件75451、HFBR1414組合芯片、ST接口 62.5/125M1 多模光纖以及HFBR2412組合芯片連接組成;邏輯門器件75451接收fcmt頻率信號(hào)，并輸出一 個(gè)電平信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入發(fā)光二極管集成模塊HFBR1414,將高低電平的轉(zhuǎn)換變成二極管的 亮滅，通過光纖將高頻率的頻率光信號(hào)（高頻亮滅對(duì)應(yīng)邏輯電平"高" "低"的變換），右側(cè)的 光纖接收器HFBR2412將高頻光信號(hào)解調(diào)成頻率信號(hào)，而我們所需要解調(diào)出來的電壓與頻率 是呈線性比例的，這樣就實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)的隔離傳輸，考慮到電隔離傳輸模塊對(duì)于電子回 旋共振加熱系統(tǒng)相關(guān)信號(hào)的采集控制的實(shí)際要求，我們進(jìn)行了 E/0轉(zhuǎn)換模塊以及0/E轉(zhuǎn)換模 塊的模擬實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)中選取20m與100m長(zhǎng)度光纖。測(cè)試結(jié)果表不，以20m和100m的光纖連 接時(shí)，E/0轉(zhuǎn)換模塊以及0/E轉(zhuǎn)換模塊的延時(shí)分別小于200ns和600ns，相差的400ns延時(shí)是光 在80m光纖傳播產(chǎn)生的延時(shí)，輸入1MHz的方波、三角波、正弦波信號(hào)能無誤的還原出來，相比 較VF以及FV部分產(chǎn)生的延時(shí)，該部分延時(shí)甚至可以忽略，綜合判斷，該電隔離傳輸模塊足以 滿足系統(tǒng)需求。
[0054]圖6為實(shí)施例1的頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊，其結(jié)構(gòu)與圖4的電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊類似；其 中，接口5、6、11、12、14的連接關(guān)系都與電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊相同；電容56(^?的第一端作為信 號(hào)的輸入端，第二端連接500 Q電阻的第一端，500電阻的第二端連接接口 9以及二極管 IN914的第一端，二極管的第二端連接數(shù)字地;接口9同時(shí)還依次通過2k以及500 Q的電阻連 接至5V的電源，接口 8與2k以及500 Q的電阻的中間連接處相連;接口 10與接口 11連接;接口 2接地，而接口 1和接口 3上同時(shí)并聯(lián)有輸入電阻RIN和積分電容CINT，積分電WCINT由兩個(gè)串聯(lián) 的電阻R51、R52組成，接口 1作為該頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端。
[0055] 由于同樣是選擇AD650芯片，芯片特性與原理與V/F部分一致，只是一個(gè)相反的轉(zhuǎn) 換過程，因此主要參數(shù)選擇如下:Cos選擇100pF電容，此時(shí)輸入電阻Rin大小在26kQ左右，優(yōu) 選的本電路設(shè)計(jì)中采用了l〇kfi電阻與20kfi電阻串聯(lián)方式，方便阻值調(diào)節(jié)。C INT選擇1000pF 電容，Rin選擇lk Q電阻，轉(zhuǎn)換比為40kHz/IV。
[0056] 圖7為實(shí)施例1的有源濾波模塊，R61的第一端作為該有源濾波模塊的輸入端，R61的 第二端連接電容C 61以及R62的第一端，R62的第二端連接IC6的正極以及電容C62的第一端;IC6 的負(fù)極連接R以及Rf的第一端，R的第二端與電容C 62的第二端共地，電容C6i的第二端與IC6的 輸出端共同作為有源濾波模塊的輸出端:為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本發(fā)明中令R61 = R62 = 10k Q，C61 = C62 = 2.2nF，則對(duì)應(yīng)的截止頻率.
-設(shè)置fo為7.2kHz左右，對(duì)應(yīng)100kHz，大于十倍 頻程，鋸齒波衰減-45.6dB。也可以調(diào)整濾波參數(shù)使fQ= 10kHz，此時(shí)鋸齒波衰減為原來的 1 % (-40dB)?；芈分械腞與Rf可以在濾波同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)而二次放大，能對(duì)V-F及F-V模塊的幅 度進(jìn)行補(bǔ)償，放大系數(shù)Av=(R+Rf)/R，需要注意的是
，否則在信號(hào)處理過程 中會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，不利于系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。由于鋸齒波就隨著基準(zhǔn)信號(hào)幅度的增加而減小，優(yōu) 選的在本方案設(shè)計(jì)中，鋸齒波小于50mV，因此在有源濾波之后，雜散的鋸齒波可以忽略，這 樣經(jīng)過最終的偏置電壓移除電路處理，輸出信號(hào)與原信號(hào)就能做到高度一致，精度高于 99.5%。而測(cè)量裝置本身的誤差往往都在0.5%~1%之間，所以本發(fā)明設(shè)計(jì)能滿足大多信 號(hào)隔離傳輸?shù)囊蟆?br>[0057] 圖8為本發(fā)明的偏置復(fù)原模塊，由電壓基準(zhǔn)單元以及偏置移除單元組成，電壓基準(zhǔn) 單元跟電壓偏置模塊中的電壓基準(zhǔn)單元完全相同，依然使用Ref 192電壓基準(zhǔn)芯片，將信號(hào) 電平降低2.5V;
[0058] R72的第一端作為偏置移除單元的第二輸入端以及偏置復(fù)原模塊的輸入端，用于輸 入前端的電壓信號(hào)Vin?，Vi"7 = Vcmt6 ; Rn，R72的輸出端連接IC7的正極以及R73的輸入端;Rn的 第一端作為偏置移除單元的第一輸入端，連接電壓基準(zhǔn)單元的輸出端，Rn的第二端連接IC7 的正極以及R?4的第一端;R73的第二端接地，IC7的輸出端以及R 74的第二端作為偏置移除單 元以及偏置復(fù)原模塊的輸出端；
[0059] 基于運(yùn)算放大器，圖中的電阻1?71、1?72、1? 73、1?74-起構(gòu)成了一個(gè)求差電路，通過簡(jiǎn)單 的計(jì)算得出
>R71 = R72 = R73 = R74，最終得出Vout7 = Vin7-2.5。該偏置復(fù)原模塊將前面濾波處理后的信號(hào)再次降壓，這樣就完成了抬升電平的移 除工作，如圖7所示。
[0060] 綜上可以看出：本發(fā)明的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)隔離傳輸， 成本低，延時(shí)短，精度高，隔離電壓大于100kV，保障經(jīng)電子回旋共振加熱輸入的各模擬采集 信號(hào)能實(shí)時(shí)有效的進(jìn)入控制器，同時(shí)控制器的命令也能有效的傳輸至高壓控制端，設(shè)計(jì)表 現(xiàn)出眾。
[0061] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括電壓偏置模塊、電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊、 電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、有源濾波模塊以及偏置復(fù)原模塊； 所述電壓偏置模塊的輸出端連接所述電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊的輸入端，所述電壓頻率轉(zhuǎn)化 模塊的輸出端連接所述電隔離傳輸模塊的輸入端，所述電隔離傳輸模塊的輸出端連接所述 頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述有源濾波模塊的輸 入端，所述有源濾波模塊的輸出端連接所述偏置復(fù)原模塊的輸入端，所述偏置復(fù)原模塊的 輸出端作為所述隔離傳輸系統(tǒng)的輸出端； 所述電壓偏置模塊用于對(duì)輸入信號(hào)施加偏置電壓，獲得第一電壓信號(hào)；所述電壓頻率 轉(zhuǎn)化模塊用于將第一電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所述頻 率信號(hào)，所述頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊用于將所述頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二電壓信號(hào)，所述有源濾波 模塊用于濾除所述第二電壓信號(hào)中的鋸齒波噪聲，將其還原為第一電壓信號(hào);所述偏置復(fù) 原模塊用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號(hào)中移除偏置電壓，完成所述高壓信號(hào) 的隔離傳輸。2. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述偏置電壓的大小為 1.75V~5V。3. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓信號(hào)隔離傳輸系 統(tǒng)還包括信號(hào)歸一化模塊，所述信號(hào)歸一化模塊的輸入端作為所述隔離傳輸系統(tǒng)的輸入 端，輸出端連接所述電壓偏置模塊的輸入端，所述信號(hào)歸一化模塊用于將輸入信號(hào)調(diào)整至 工作區(qū)間并輸出。4. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓偏置模塊包括第 一電壓基準(zhǔn)單元以及偏置加壓?jiǎn)卧龅谝浑妷夯鶞?zhǔn)單元的輸出端連接所述偏置加壓?jiǎn)?元的第一輸入端，所述偏置加壓?jiǎn)卧牡牡诙斎攵俗鳛樗鲭妷浩媚K的輸入端，輸 出端作為所述電壓偏置模塊的輸出端;所述第一電壓基準(zhǔn)單元用于提供穩(wěn)定的偏置電壓； 所述偏置加壓?jiǎn)卧糜趯⑺銎秒妷菏┘佑陔妷盒盘?hào)，獲得第一電壓信號(hào)。5. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述偏置復(fù)原模塊包括第 二電壓基準(zhǔn)單元以及偏置移除單元，所述第二電壓基準(zhǔn)單元的輸出端連接所述偏置移除單 元的第一輸入端，所述偏置移除單元的第二輸入端作為所述偏置復(fù)原模塊的輸入端，所述 偏置移除單元的輸出端作為所述偏置復(fù)原模塊的輸出端;所述第二電壓基準(zhǔn)單元用于提供 穩(wěn)定的偏置電壓;所述偏置移除單元用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號(hào)中移除 偏置電壓。6. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓頻率轉(zhuǎn)化模塊將 所述第一電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的轉(zhuǎn)換率為lV/20kHz~lV/50kHz。7. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述電隔離傳輸模塊包括 光電轉(zhuǎn)換模塊以及電光轉(zhuǎn)換模塊，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的輸入端作為所述電光轉(zhuǎn)換模塊的輸 入端，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述電光轉(zhuǎn)換模塊的輸入端之間通過光纖連接，所述 電光轉(zhuǎn)換模塊的輸出端作為所述電光轉(zhuǎn)換模塊的輸出端。8. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電壓信號(hào)與所述 第二電壓信號(hào)的比值為1.58:1~1:1。9. 如權(quán)利要求1所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述有源濾波模塊為二階 濾波模塊。10.如權(quán)利要求9所述的高壓信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述有源濾波模塊濾除 所述鋸齒波噪聲的截止頻率為6kHz~20kHz。
【文檔編號(hào)】G01R15/24GK105929215SQ201610238917
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】王之江, 崔芳泰, 夏冬輝, 余振雄, 孫道磊, 肖集雄, 劉昌海, 曾中
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)