全隔离直流电压采样系统及其工作方法与流程

本发明涉及电压隔离检测技术领域，具体为一种全隔离直流电压采样系统及其工作方法。

背景技术：

随着电力电子技术的飞速发展，大型设备的运行有时需要用到直流电源进行直接供电或作为备用电源，而直流电源的输出电压幅度较大从几十伏到几千伏，为实现对输出电压的有效监控，需要将电压值实时传输给主控器。为保证电压值不失真，且前级高电压信号不影响后级低压电路的运行，传统的方式如图1所示采用电阻分压采样，将高压直流信号转换成比例低压直流信号，再使用线性光耦实现主控器与低压直流信号地隔离，从而实现对直流高电压的监测；或者利用电压霍尔传感器来采集高压信号，因霍尔元件响应速度快，该方式快速准确精度高，只要传感器无故障，可以实时监测，且不会影响其他电路的运行。

目前传统的电阻分压采样将直流高压转换成低压，再进行光耦隔离的方式，采样精度较高，但未实现完全的电气隔离，如供电电源部分，导致设备抗干扰能力较弱，不能适应工业对设备稳定性和可靠性的需求；而采用电压霍尔传感器实现直流高压采样的方式，电压测量精度很高，响应速度也很快，但造价高，且需双电源供电，成本不容忽视。

基于上述技术问题，需要设计一种新的全隔离直流电压采样系统及其工作方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种全隔离直流电压采样系统及其工作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全隔离直流电压采样系统，包括：

输入信号隔离模块；

所述输入信号隔离模块适于将输入电压的电压信号进行隔离后输出；

所述输入信号隔离模块包括：电压采样电路、一级滤波电路、信号调理电路、二级滤波电路和信号转换隔离电路；其中

所述电压采样电路适于采集输入电压的电压信号，

所述电压信号依次经过一级滤波电路、信号调理电路、二级滤波电路输入至信号转换隔离电路中；其中

所述一级滤波电路适于将电压信号稳定输出至信号调理电路；

所述信号调理电路适于保持电压信号恒定并输出至二级滤波电路；

所述二级滤波电路适于将电压信号滤波后稳定输出至信号转换隔离电路；

所述信号转换隔离电路适于将电压信号转换为i²c信号后，再经过电平转换后输出。

进一步，所述电压采样电路包括：串联设置的电阻r1、电阻r2，以及分压电阻r4；

所述输入电压经过电阻r1、电阻r2后，由分压电阻r4分压后输入至第一级滤波电路。

进一步，所述一级滤波电路包括：电容c1、电容c2和电阻r3；其中

电容c1、电容c2的一端对地连接，另一端之间跨接电阻r3构成π型滤波电路。

进一步，所述信号调理电路包括：运算放大器u1、限流电阻r5、反馈电阻r7和下拉电阻r8；其中

所述运算放大器u1的同相端为输入端，运算放大器u1的反相端与输出端之间连接反馈电阻r7；以及

所述运算放大器u1的输出端连接所述下拉电阻r8和限流电阻r5。

进一步，所述二级滤波电路包括：电容c3、电容c4、运算放大器u2和电阻r6；其中

运算放大器u2、电阻r6和电容c4构成有源滤波电路，即

所述运算放大器u2的反相端与输出端相连构成电压跟随器；

电阻r6的一端与限流电阻r5相连构成二级滤波电路输入端，另一端与电容c4连接形成rc滤波器，所述运算放大器u2的同相端连接在电阻r6和电容c4之间，以及

所述电容c3的两端分别连接在二级滤波电路输入端与运算放大器u2的输出端以形成反馈网络。

进一步，所述信号转换隔离电路包括：信号转换芯片和隔离芯片；

经过所述二级滤波电路滤波的电压信号通过信号转换芯片转换为i²c信号后，经过所述隔离芯片输出；以及

在隔离芯片的scl输入/输出端、sda输入/输出端上分别连接有上拉电阻；并且

在信号转换芯片和隔离芯片的供电端连接有滤波电容c5和滤波电容c6。

进一步，所述全隔离直流电压采样系统还包括：电源隔离电路；

所述电源隔离电路包括：dc/dc隔离模块、lc滤波电路和中低频滤波电路；

外部电源经过lc滤波电路后输入dc/dc隔离模块，dc/dc隔离模块将外部电源电压转换为工作电压后经过中低频滤波电路滤波，同时将工作电压输入隔离芯片的输入级供电端和运算放大器u1、运算放大器u2的供电端；

所述隔离芯片的输出级供电端由外部电源电压提供。

另一方面，本发明还提供一种全隔离直流电压采样系统的工作方法，包括：

通过电源隔离电路为全隔离直流电压采样系统提供隔离电源；以及

所述全隔离直流电压采样系统适于将输入的电压信号隔离后输出。

进一步，所述工作方法适于采用上述的全隔离直流电压采样系统实现。

本发明的有益效果是，本发明所涉及的全隔离直流电压采样系统及其工作方法采用电阻分压、运放调理、两级滤波、信号转换芯片，使低压模拟信号转换成i²c信号，并经过隔离芯片输出到主控器，而供电电压采用dc/dc隔离电源模块，真正实现整个电路的电气隔离，与传统电路相比，极大提高系统电路的抗干扰能力，且兼容性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是传统直流电压采样监测电路的电路图；

图2是本发明所涉及的全隔离直流电压采样系统的系统框图；

图3是本发明所涉及的输入信号隔离模块中电压采样电路、一级滤波电路、信号调理电路和二级滤波电路的电路图；

图4是本发明所涉及的输入信号隔离模块中信号转换隔离电路的电路图；

图5是本发明所涉及的电源隔离电路的电路图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

图2是本发明所涉及的全隔离直流电压采样系统的系统框图。

如图2所示，本实施例提供了一种全隔离直流电压采样系统，包括：输入信号隔离模块；所述输入信号隔离模块适于将输入电压的电压信号进行隔离后输出；所述输入信号隔离模块包括：电压采样电路、一级滤波电路、信号调理电路、二级滤波电路和信号转换隔离电路；其中所述电压采样电路适于采集输入电压的电压信号，所述电压信号依次经过一级滤波电路、信号调理电路、二级滤波电路输入至信号转换隔离电路中；其中所述一级滤波电路适于将电压信号稳定输出至信号调理电路；所述信号调理电路适于保持电压信号恒定并输出至二级滤波电路；所述二级滤波电路适于将电压信号滤波后稳定输出至信号转换隔离电路；所述信号转换隔离电路适于将电压信号转换为i²c信号后，再经过电平转换后输出；实现了电压信号的隔离输出。

图3是本发明所涉及的输入信号隔离模块中电压采样电路、一级滤波电路、信号调理电路和二级滤波电路的电路图。

如图3所示，在本实施例中，所述电压采样电路包括：串联设置的电阻r1、电阻r2，以及分压电阻r4；所述输入电压经过电阻r1、电阻r2后，由分压电阻r4分压后输入至第一级滤波电路，即

输入电压的正输入端连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端连接分压电阻r4的一端，分压电阻r4的另一端连接输入电压的负输入端；通过增大、减小分压电阻r4的阻值占电阻r1、电阻r2和分压电阻r4总阻值的比例，进而增大、减小输入电压的采样范围，以实现监测范围更广的输入电压。

在本实施例中，所述一级滤波电路包括：电容c1、电容c2和电阻r3；其中电容c1、电容c2的一端对地连接，另一端之间跨接电阻r3构成π型滤波电路，同时，电容c1的另一端连接在电阻r2和分压电阻r4之间；一级滤波电路可以有效减小电流的脉动，使电流更平滑。

在本实施例中，所述信号调理电路包括：运算放大器u1、限流电阻r5、反馈电阻r7和下拉电阻r8；所述运算放大器u1可以但不限于采用analogdevices公司生产的ad822br，该款芯片是一款低功耗、fet输入双通道运放；所述运算放大器u1的同相端为输入端并连接在电阻r3和电容c2之间，运算放大器u1的反相端与输出端之间连接反馈电阻r7；以及所述运算放大器u1的输出端连接所述下拉电阻r8和限流电阻r5，即运算放大器u1的输出端连接下拉电阻r8的一端，下拉电阻r8的另一端接地，限流电阻r5的一端连接在运算放大器u1和下拉电阻r8之间，电阻r5的另一端连接二级滤波电路；根据运算放大器u1的虚短、虚断特性，电压信号经运算放大器u1的同相端后，被运算放大器u1的反相端等效转移到输出端，整体电流被下拉电阻r8消耗，以使电压信号保持不变。

在本实施例中，所述二级滤波电路包括：电容c3、电容c4、运算放大器u2和电阻r6；所述运算放大器u2可以但不限于采用on公司生产的mc33272ad；运算放大器u2、电阻r6和电容c4构成有源滤波电路，即

所述运算放大器u2的反相端与输出端相连以构成电压跟随器；电阻r6的一端与限流电阻r5的另一端相连构成二级滤波电路输入端，电阻r6的另一端与电容c4连接形成rc滤波器，所述运算放大器u2的同相端连接在电阻r6和电容c4之间，以及

所述电容c3的两端分别连接在二级滤波电路输入端与运算放大器u2的输出端以形成反馈网络，运算放大器u2的输出端输出的电压信号仅取决于rc滤波器的取值；通过电压跟随器，使负载不影响滤波特性；通过二级滤波电路使电压信号得到极好的调整，即使波纹平坦。

图4是本发明所涉及的输入信号隔离模块中信号转换隔离电路的电路图。

如图4所示，在本实施例中，所述信号转换隔离电路包括：信号转换芯片和隔离芯片；所述信号转换芯片可以但不限于采用analogdevices公司生产的ad7991yrjz-0rl，该款芯片是4通道、12位adc，且内置i2c兼容接口，转换时间典型值：1us；所述隔离芯片可以但不限于采用analogdevices公司生产的adum1250arz，该款芯片是热插拔数字隔离器，包含双向i2c通信，漏极开路接口，基本不需要电流驱动，且具有电平转换功能；经过所述二级滤波电路滤波的电压信号通过信号转换芯片转换为i²c信号后，经过所述隔离芯片输出；以及在隔离芯片的scl输入/输出端、sda输入/输出端上分别连接有上拉电阻；并且在信号转换芯片和隔离芯片的供电端连接有滤波电容c5和滤波电容c6，即

运算放大器u2的输出端连接信号转换芯片的3号管脚，信号转换芯片的8号管脚连接工作电源，信号转换芯片的2号管脚连接隔离芯片的2号管脚，信号转换芯片的1号管脚连接隔离芯片的3号管脚，信号转换芯片的7号管脚和隔离芯片的4号管脚均接地，滤波电容c5的一端连接工作电源，滤波电容c5的另一端接地，上拉电阻r10的一端连接在信号转换芯片的2号管脚和隔离芯片的2号管脚之间，上拉电阻r10另的一端连接工作电源，上拉电阻r9的一端连接在信号转换芯片的1号管脚和隔离芯片的3号管脚之间，上拉电阻r9的另一端连接工作电源，滤波电容c6的一端连接工作电源，滤波电容c6的另一端接地，隔离芯片的8号管脚连接外部电源，隔离芯片的7号管脚连接主控器的sda输入端，隔离芯片的6号管脚连接主控器的scl输入端，上拉电阻r11的一端连接在隔离芯片的6号管脚和主控器的scl输入端之间，上拉电阻r11的另一端连接外部电源，上拉电阻r12的一端连接在隔离芯片的7号管脚和主控器的sda输入端之间，上拉电阻r12的另一端连接外部电源，滤波电容c7的一端连接外部电源，滤波电容c7的另一端接地，隔离芯片的5号管脚接地；所述工作电源适于提供信号转换芯片所需电压；滤波电容c5可以增强信号转换芯片的可靠性；上拉电阻r9、r10、r11和r12可以保证初始电平抗干扰能力；采样的电压信号转换成i²c信号，响应速度快，可靠性和安全性得到有效改善。

图5是本发明所涉及的电源隔离电路的电路图。

如图5所示，在本实施例中，所述全隔离直流电压采样系统还包括：电源隔离电路；所述电源隔离电路包括：dc/dc隔离模块、lc滤波电路和中低频滤波电路；所述dc/dc隔离模块可以但不限于采用recom公司生产的r2s-0505/h，该dc/dc隔离模块是隔离式dc/dc转换器，工作效率高达85%，采用8-smd模块(5引线)封装，体积小；外部电源经过lc滤波电路后输入dc/dc隔离模块，dc/dc隔离模块将外部电源电压转换为工作电压后经过中低频滤波电路滤波，同时将工作电压输入信号转换芯片的供电端、隔离芯片的输入级供电端和运算放大器u1、运算放大器u2的供电端；所述隔离芯片的输出级供电端由外部电源电压提供，即

电解电容c8和贴片电容c9并联，外部电源连接电解电容c8和贴片电容c9的一公共连接端，电解电容c8和贴片电容c9的另一公共连接端接地，电感l1的一端连接电解电容c8和贴片电容c9的一公共连接端，电感l1的另一端连接dc/dc隔离模块的1号管脚，dc/dc隔离模块的2号管脚和3号管脚之间串联一个y电容cy1，dc/dc隔离模块的4号管脚连接大容积电容c10的一端，大容积电容c10的另一端接地，小容积电容c11并联在大容积电容c10的两端；通过lc滤波电路可以有效抑制外部电源混入的噪声和干扰；通过中低频滤波电路可以对工作电压进行滤波；通过y电容cy1可以消除共模干扰；同时为了监测工作电源是否正常，可以将工作电压接入信号转换芯片，通过信号转换芯片转换为i²c信号后，经过所述隔离芯片输出，即dc/dc隔离模块的4号管脚同时连接信号转换芯片的4号和6号管脚。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种全隔离直流电压采样系统的工作方法，包括：通过电源隔离电路为全隔离直流电压采样系统提供隔离电源；以及所述全隔离直流电压采样系统适于将输入的电压信号隔离后输出。

在本实施例中，所述工作方法适于采用如实施例1所述的全隔离直流电压采样系统实现。

综上所述，本发明通过输入信号隔离模块；所述输入信号隔离模块适于将输入的电压信号进行隔离后输出；所述输入信号隔离模块包括：电压采样电路、一级滤波电路、信号调理电路、二级滤波电路和信号转换隔离电路；其中所述电压采样电路适于采集输入的电压信号，所述电压信号依次经过一级滤波电路、信号调理电路、二级滤波电路输入至信号转换隔离电路中；其中所述一级滤波电路适于将电压信号稳定输出至信号调理电路；所述信号调理电路适于保持电压信号恒定并输出至二级滤波电路；所述二级滤波电路适于将电压信号滤波后稳定输出至信号转换隔离电路；所述信号转换隔离电路适于将电压信号转换为i²c信号后，再经过电平转换后输出，以实现电压信号的隔离输出。

综上所述，本发明通过电压采样电路、一级滤波电路、信号调理电路、二级滤波电路和信号转换隔离电路以及配合电源隔离电路实现了电压信号的隔离输出，通过电源隔离电路实现了效抑制外部电源混入的噪声和干扰，即实现了电压信号和外部电源的双重隔离，极大提高系统电路的抗干扰能力，且兼容性强，功能强大可以同时监测多路输入电压。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。