線性變化的隔離式直流電壓采集電路的制作方法
【專利摘要】一種線性變化的隔離式直流電壓采集電路，包括分壓電路、電壓跟隨電路、減法電路、線性隔離電路；分壓電路的輸入端接電壓-100V～100V，分壓電路的輸出端連接電壓跟隨電路的輸入端，電壓跟隨電路輸出端連接減法電路的輸入端，減法電路的輸出端連接線性隔離電路的輸入端，線性隔離電路輸出采集電壓，本實用新型結構簡單，并且解決了普通線性隔離電路只能采集同相電壓，無法采集正向變化的直流電壓的技術問題，工作穩(wěn)定、線性好、精度高。
【專利說明】線性變化的隔離式直流電壓采集電路

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電壓采集電路，特別是涉及一種隔離式直流電壓采集電路。

【背景技術】
[0002]現(xiàn)有電子電路中，對于大電壓、大電流等的采集，通常需要做到采集電路和被采集電路之間電氣隔離，這就需要隔離采集電路進行采集，完成采集電路和被采集電路的電源端和參考地端的電氣隔離，傳統(tǒng)的隔離采樣電路是通過模擬隔離耦合芯片實現(xiàn)隔離采樣，由于模擬隔離耦合芯片的耦合倍數(shù)不是固定值而是為一個區(qū)間，而耦合輸出也在一個區(qū)間內，而不是可以預判的固定值，故采用模擬隔離耦合芯片的電路一致性較差。在實際的生產中，采用模擬耦合芯片的同樣電路結構的兩個產品，電壓采集的結果卻不相同，每一個產品在生產過程中多要進行電路參數(shù)的再校準，以保證各個產品性能和參數(shù)的一致性，這就大大的降低了產品的生產效率也降低了產品的性能，由于一致性差進而導致產品的電壓采集精度不高，且模擬隔離采集芯片的造價較高，也進一步體現(xiàn)了其在大批量生產過程中的弊端，故傳統(tǒng)隔離采集電路需要進行改進設計。
[0003]現(xiàn)有的直流電壓采集電路一般采用分壓采集和普通光電隔離電路，現(xiàn)有的直流電壓采集電路在采集正反向電壓時，一般使用普通光電隔離電路，但是普通光電隔離電路滿足不了線性關系，而引入線性隔離電路后只能采集同相電壓，無法采集到正反向變化的直流電壓。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是提供線性變化的隔離式直流電壓采集電路，用于解決上述技術問題。
[0005]本實用新型線性變化的隔離式直流電壓采集電路，包括分壓電路、電壓跟隨電路、減法電路、線性隔離電路；分壓電路的輸入端接電壓-100V?100V，分壓電路的輸出端連接電壓跟隨電路的輸入端，電壓跟隨電路輸出端連接減法電路的輸入端，減法電路的輸出端連接線性隔離電路的輸入端，線性隔離電路輸出采集電壓。
[0006]所述第一電源電源與地之間依次串聯(lián)第一電阻、第二電阻，第一電容與第二電阻并聯(lián)，第一電阻、第二電阻之間引出連線經(jīng)第三電阻接入第一運算放大器的正向輸入端；
[0007]第一運算放大器的正向輸入端經(jīng)第二電容后接地，第一運算放大器的反向輸入端接第一運算放大器的輸出端，第一運算放大器的正電源端口接電源+12V、負電源端口接電源-12V ；
[0008]第一運算放大器U1的輸出端經(jīng)第六電阻接第二運算放大器的反向輸入端，第二運算放大器的反向輸入端經(jīng)第四電阻接第二運算放大器的輸出端，第五電阻與第四電阻并聯(lián)，第二電源經(jīng)第六電阻接第二運算放大2的第二端口，第二運算放大器的正向輸入端經(jīng)第八電阻接地，第九電阻與第八電阻并聯(lián)，第二運算放大器的正電源端口接電源+12V、負電源端口接電源-12V ；
[0009]第二運算放大器的輸出端經(jīng)第十電阻后接第三運算放大器的反向輸入端，第三運算放大器的正向輸入端接地，第三運算放大器的正電源端口接電源+12V、負電源端口接地，第三運算放大器的反向輸入端、輸出端之間串聯(lián)第三電容，第三運算放大器的輸出端經(jīng)第十一電阻接線性光耦的引腳1;
[0010]第一二極管的正極接線性光耦的引腳4，第一二極管的負極接線性光耦的引腳3，第一二極管的負極連接第三運算放大器的反向輸入端；第二二極管的正極接線性光耦的引腳3，第二二極管的負極接線性光耦的引腳4 ;發(fā)光二極管的負極接線性光耦的引腳2，線性光耦的引腳4、引腳5接地；線性光耦的引腳6接第四運算放大器的反向輸入端，第四運算放大器的反向輸入端、輸出端之間串聯(lián)有第四電容，第十二電阻與第四電容并聯(lián)，第四運算放大器的正向輸入端、第五端口接地，第四運算放大器的第三端口接+5V電源，第四運算放大器的輸出端為本實用新型線性變化的隔離式直流電壓采集電路的輸出端。
[0011]所述分壓電路中第一電阻為200M歐姆，第二電阻為5M歐姆，第一電容C1為0.luFo
[0012]所述電壓跟隨電路中的第三電阻為1K歐姆，第二電容為0.luF，第一運算放大器的型號為LM324。
[0013]本實用新型線性變化的隔離式直流電壓采集電路結構簡單，并且通過減法電路與線性隔離電路的結合不但實現(xiàn)了現(xiàn)有線性隔離電路只能采集同相電壓，無法采集到正向變化的直流電壓的技術問題，同時電路工作穩(wěn)定，具備良好的線性關系和較高的精度。
[0014]下面結合附圖對本實用新型的線性變化的隔離式直流電壓采集電路作進一步說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為線性變化的隔離式直流電壓采集電路的基本結構示意圖；
[0016]圖2為線性變化的隔離式直流電壓采集電路的電路連接示意圖。

【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，本實用新型線性變化的隔離式直流電壓采集電路包括分壓電路F、電壓跟隨電路D、減法電路J、線性隔離電路X ;分壓電路F的輸入端接電壓-100V?100V，分壓電路F的輸出端連接電壓跟隨電路D的輸入端，電壓跟隨電路D輸出端連接減法電路J的輸入端，減法電路J的輸出端連接線性隔離電路X的輸入端，線性隔離電路X輸出采集電壓。
[0018]分壓電路F采用串聯(lián)電路的分壓原理，用于實現(xiàn)對輸入電壓的分壓輸出，第一電源VI在-100V?100V之間取值，經(jīng)過分壓電路F后轉變?yōu)?2.5V?2.5V之間的直流電壓；
[0019]電壓跟隨電路D用于對前級電路形成高阻態(tài)，對后級電路形成低組態(tài)，隔離前后級電路。電壓跟隨電路D輸出電壓幅度近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態(tài)，相當于對前級電路開路；對后級電路呈低阻狀態(tài)，相當于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。一個對前級電路相當于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響的電路具備隔離作用，使前、后級電路之間互不影響，起緩沖、隔離、提高帶負載能力的作用；
[0020]減法電路J用于將有正、反向的輸入電壓轉換成正向電壓，便于后續(xù)線性隔離電路X的采集；
[0021]線性隔離電路X用于實現(xiàn)電壓輸入輸出的線性關系的實現(xiàn)，同時利用線性光耦Η實現(xiàn)輸入輸出電壓的隔離。
[0022]如圖2所示，本實用新型中分壓電路F包括第一電阻R1、第二電阻R2、第一電容C1、第一電源電源VI，電壓跟隨電路D包括第三電阻R3、第一運算放大器U1、第二電容C2，減法電路J包括第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第二運算放大器U2，線性隔離電路X包括地十電阻R10、第十一電阻R11、第十二電阻R12、第三電容C3、第四電容C4、第一二極管L1、第二二極管L2、發(fā)光二極管G、第三運算放大器U3、第四運算放大器U4、線性光耦Η。
[0023]上述各電子元器件的連接關系為:
[0024]第一電源電源VI與地之間依次串聯(lián)第一電阻R1、第二電阻R2,第一電容C1與第二電阻R2并聯(lián)，第一電阻R1、第二電阻R2之間引出連線經(jīng)第三電阻R3接入第一運算放大器U1的正向輸入端1.2 ;
[0025]第一運算放大器U1的正向輸入端1.2經(jīng)第二電容C2后接地，第一運算放大器U1的反向輸入端1.1接第一運算放大器U1的輸出端1.4，第一運算放大器U1的正電源端口1.3接電源+12V、負電源端口 1.5接電源-12V;
[0026]第一運算放大器U1的輸出端1.4經(jīng)第六電阻R6接第二運算放大器U2的反向輸入端2.1，第二運算放大器U2的反向輸入端2.1經(jīng)第四電阻R4接第二運算放大器U2的輸出端2.4，第五電阻R5與第四電阻R4并聯(lián)，第二電源V2經(jīng)第六電阻R6接第二運算放大器U2的正向輸入端2.2，第二運算放大器U2的正向輸入端2.2經(jīng)第八電阻R8接地，第九電阻R9與第八電阻R8并聯(lián)，第二運算放大器U2的正電源端口 2.3接電源+12V、負電源端口 2.5接電源-12V ；
[0027]第二運算放大器U2的輸出端2.4經(jīng)第十電阻R10后接第三運算放大器U3的反向輸入端3.1，第三運算放大器U3的正向輸入端3.2接地，第三運算放大器U3的正電源端口3.3接電源+12V接電源+12V、輸出端負電源端口 3.5接地，第三運算放大器U3的反向輸入端3.1、輸出端3.4之間串聯(lián)第三電容C3，第三運算放大器U3的輸出端3.4經(jīng)第十一電阻R11接線性光耦Η的引腳1 ;
[0028]第一二極管L1的正極接線性光耦Η的引腳4，第一二極管L1的負極接線性光耦Η的引腳3，第一二極管L1的負極連接第三運算放大器U3的反向輸入端3.1 ;第二二極管L2的正極接線性光耦Η的引腳3，第二二極管L2的負極接線性光耦Η的引腳4 ;發(fā)光二極管G的負極接線性光耦Η的引腳2，線性光耦Η的引腳4、引腳5接地；線性光耦Η的引腳6接第四運算放大器U4的反向輸入端4.1，第四運算放大器U4的反向輸入端4.1、輸出端4.4之間串聯(lián)有第四電容C4，第十二電阻R12與第四電容C4并聯(lián)，第四運算放大器U4的正向輸入端4.2、負電源端口 4.5接地，第四運算放大器U4的正電源端口 4.3接+5V電源，第四運算放大器U4的輸出端4.4為本實用新型線性變化的隔離式直流電壓采集電路的輸出端。
[0029]在實際應用過程中，分壓電路F中第一電阻R1為200Μ歐姆，第二電阻R2為5Μ歐姆，第一電容C1為0.luF。
[0030]電壓跟隨電路D輸入端連接分壓電路F的輸出端，即電壓跟隨電路D的輸入為-2.5V?2.5V直流電壓，根據(jù)其電路原理，其輸出保持-2.5V?2.5V的輸出，第三電阻R3的阻值為1K歐姆，第二電容C2為0.luF ；
[0031]電壓跟隨電路D中的第三電阻R3為1K歐姆，第二電容C2為0.luF，第一運算放大器U1的型號為LM324。
[0032]減法電路J中第六至第九電阻的阻值分別為47K歐姆，第二運算放大器U2的型號為LM324，第二電源V2 = 2.5V，由基準電源AD580模塊提供。
[0033]線性隔離電路X中第十電阻R10和第十二電阻R12的阻值為47K歐姆，第i^一電阻R11的阻值為200歐姆第三電容C3和第四電容C4為0.luF。
[0034]由于線性隔離電路X無法同時采集正、反向電壓，因此需要將正、反向電壓轉換成同向電壓輸出(本實施例中將正、反向電壓轉換成了正向電壓)，在本實施例中利用減法電路J來實現(xiàn)這一電壓轉換。減法電路J對元件的對稱性要求較高，元件失配將帶來較大的誤差，而且將產生共模輸出電壓。減法電路J的輸出電壓的計算原理如下:
[0035]設第二運放U2的反相輸入端2.1輸入電壓為V+，第二運放U2的正相輸入端2.2輸入電壓為V-，電壓跟隨電路D的輸出電壓為VNET1，減法電路J的輸出電壓為VNET2
[0036]由7+=丄72
3
[0037]V =-VNET\ + -VNET2
- 33
[0038]V+ = V_
[0039]V2 = 2.5V
[0040]以及根據(jù)減法電路計算原理和電路中電阻阻值計算得出輸出電壓:
[0041 ] VNET2 = ~{2.5 - VNET\)
[0042]那么輸入的-2.5V?2.5V直流電壓，經(jīng)過減法電路J的電壓輸出為0?2.5V輸出，完成了將正反向電壓-2.5V?2.5V到正向電壓0?2.5V的轉換。
[0043]本實施例中采用線性光耦Η來實現(xiàn)電路的隔離部分。線性光耦Η是型號為HCNR200的一種用于模擬量信號隔離的高精度線性光耦，它具有高線性度、高穩(wěn)定性、頻帶寬和設計靈活等優(yōu)點，通過不同的外接電路，可實現(xiàn)多種光電隔離轉換。經(jīng)過整個線性隔離電路X，輸入輸出電壓滿足如下關系:

D| J
[0044]VOUT = K ——VNET2，

/?10
[0045]上式中V0UT為線性隔離電路X的電壓輸出值，K表示線性光耦Η中光電二極管的電流之比，Κ的典型值為1。由上述關系式，可得到輸出電壓和輸入電壓的關系是固定和線性的。那么要得到VOUT = VNET2，需要選用R1 = R12的電阻。經(jīng)過線性隔離電路X，輸出電壓V0UT隨輸入電壓VNET2線性變化，并與VNET2完全隔離。
[0046]實際工作中，采集信號的輸入為-100V?100V直流電壓，分壓電路F將輸入的電壓分壓輸出為_2.5V?2.5V直流電壓。經(jīng)過電壓跟隨電路D,輸出電壓與輸入電壓幅度保持一致，并且前、后級電路之間互不影響。后級的減法電路J則將-2.5V?2.5V的直流輸出產生共模輸出電壓，其對應的線性電壓范圍為0-2.5V，線性隔離電路X將輸入的電壓經(jīng)光電模式隔離輸出最終電壓VOUT，并保持線性輸出為0?2.5V，此時的輸出電壓與輸入電壓保持線性關系，并完全隔離。
[0047]以上所述的實施例僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本實用新型的范圍進行限定，在不脫離本實用新型設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本實用新型的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本實用新型權利要求書確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種線性變化的隔離式直流電壓采集電路，其特征在于，包括分壓電路(F)、電壓跟隨電路(D)、減法電路(J)、線性隔離電路⑴；分壓電路(F)的輸入端接電壓電源，分壓電路(F)的輸出端連接電壓跟隨電路⑶的輸入端，電壓跟隨電路⑶輸出端連接減法電路(J)的輸入端，減法電路(J)的輸出端連接線性隔離電路⑴的輸入端，線性隔離電路(X)輸出采集電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的線性變化的隔離式直流電壓采集電路，其特征在于，第一電源(Vl)與地之間依次串聯(lián)第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)，第一電容(Cl)與第二電阻(R2)并聯(lián)，第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)之間引出連線經(jīng)第三電阻(R3)接入第一運算放大器(Ul)的正向輸入端(1.2)； 第一運算放大器(Ul)的正向輸入端(1.2)經(jīng)第二電容(C2)后接地，第一運算放大器(Ul)的反向輸入端(1.1)接第一運算放大器(Ul)的輸出端(1.4)，第一運算放大器(Ul)的正電源端口(1.3)連接電源+12V、負電源端口(1.5)接電源-12￥; 第一運算放大器((Ul))的輸出端(1.4)經(jīng)第六電阻(R6)接第二運算放大器(U2)的反向輸入端(2.1)，第二運算放大器(U2)的反向輸入端(2.1)經(jīng)第四電阻(R4)接第二運算放大器(U2)的輸出端(2.4)，第五電阻(R5)與第四電阻(R4)并聯(lián)，第二電源V2經(jīng)第六電阻(R6)接第二運算放大器(U2)的正向輸入端(2.2)，第二運算放大器(U2)的正向輸入端(2.2)經(jīng)第八電阻(R8)接地，第九電阻(R9)與第八電阻(R8)并聯(lián)，第二運算放大器(U2)的正電源端口(2.3)接電源+12V、負電源端口(2.5)接電源-12V; 第二運算放大器(U2)的輸出端(2.4)經(jīng)第十電阻(RlO)后接第三運算放大器(U3)的反向輸入端(3.1)，第三運算放大器(U3)的正向輸入端(3.2)接地，第三運算放大器(U3)的正電源端口(3.3)接電源+12V、負電源端口(3.5)接地，第三運算放大器(U3)的反向輸入端(3.1)、輸出端(3.4)之間串聯(lián)第三電容(C3)，第三運算放大器(U3)的輸出端(3.4)經(jīng)第十一電阻(Rll)接線性光耦(H)的引腳I ; 第一二極管(LI)的正極接線性光耦(H)的引腳4，第一二極管(LI)的負極接線性光耦(H)的引腳3，第一二極管(LI)的負極連接第三運算放大器(U3)的反向輸入端(3.1)；第二二極管(L2)的正極接線性光耦(H)的引腳3，第二二極管(L2)的負極接線性光耦(H)的引腳4;發(fā)光二極管(G)的負極接線性光耦(H)的引腳2，線性光耦(H)的引腳4、引腳5接地；線性光耦(H)的引腳6接第四運算放大器(U4)的反向輸入端(4.1)，第四運算放大器(U4)的反向輸入端(4.1)、輸出端(4.4)之間串聯(lián)有第四電容(C4)，第十二電阻(R12)與第四電容(C4)并聯(lián)，第四運算放大器(U4)的正向輸入端(4.2)、負電源端口(4.5)接地，第四運算放大器(U4)的正電源端口(4.3)接+5V電源，第四運算放大器(U4)的輸出端(4.4)為本實用新型線性變化的隔離式直流電壓采集電路的輸出端；所述線性光耦(H)的型號為HCNR200。
3.根據(jù)權利要求2所述的線性變化的隔離式直流電壓采集電路，其特征在于，所述分壓電路(F)中第一電阻(Rl)為200M歐姆，第二電阻(R2)為5M歐姆，第一電容(Cl)為0.1uF0
4.根據(jù)權利要求3所述的線性變化的隔離式直流電壓采集電路，其特征在于，所述電壓跟隨電路⑶中的第三電阻(R3)為IK歐姆，第二電容(C2)為0.luF，第一運算放大器(Ul)的型號為LM324。
【文檔編號】G01R15/14GK204065210SQ201420362736
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】付艷玲, 肖海清, 于紅梅, 王宏偉 申請人:中國檢驗檢疫科學研究院