一种电压隔离采样电路的制作方法

1.本实用新型涉及dc
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dc转换电路的电压采样，具体涉及一种电压隔离采样电路。


背景技术：

2.在电源系统的dc
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dc转换电路中，为满足电磁兼容要求，减小dc
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dc输入与输出端的相互干扰，常常要求dc
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dc转换电路采用输入输出隔离式设计。而在多路输出的电源系统中，为了减少各路输出电压在工作时产生的电磁干扰相互影响，会进一步要求各路输出电压之间相互隔离，即各路输出电压均有正负端口，相互独立，而不能将多路输出电压共地。
3.随着电源系统向数字化、智能化、小型化的方向发展，需要通过微处理器和a/d转换器对电源输出的电压、电流、功率、工作温度等参数进行数据采样，采集的数据经过处理后，用于状态上报和反馈控制。特别的，在对电压进行采样时，必须使a/d转换器的参考电压地和被采样多路电压的负端处于等电势，这样必然将电源系统多路输出电压的负端相连，从而破坏了多路输出电压的相互隔离和独立性。
4.目前，对电压进行隔离采样的技术解决方案大概分为两种。第一种是通过变压器隔离，第二种是使用集成隔离运算放大器。由于每一路被采样电压必须使用一只变压器，变压器等分离元件的体积较大，成本较高，使用场合受限；并且采样时需根据各路被采样的电压值分别设计变压器的电压传输比，方案的可移植性差。变压器在制作时由于工艺原因，参数一致性较差，电压传输比无法精确控制，导致电压值的采样精确度大大降低，采样结果仅能作为粗略值参考；而隔离运算放大电路抗干扰能力差。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种电压隔离采样电路，用于在多路电压需要相互隔离的电源系统中，实现在不破坏各路电压的相互隔离性的前提下，实现对电压值的精确采样。
6.本实用新型通过下述技术方案实现：
7.现有技术中，通过变压器隔离对电压进行隔离采样，由于每一路被采样电压必须使用一只变压器，变压器等分立元件的体积较大，成本较高，使用场合受限；并且采样时需根据各路被采样的电压值分别设计变压器的电压传输比，方案的可移植性差。变压器在制作时由于工艺原因，参数一致性较差，电压传输比无法精确控制，导致电压值的采样精确度大大降低，采样结果仅能作为粗略值参考；而使用集成隔离运算放大器进行隔离采样，隔离运算放大电路抗干扰能力差。
8.鉴于现有技术在采样精确度低、硬件成本高、电路尺寸大、电路可靠性差等、方案移植性差方面的问题，本实用新型一种电压隔离采样电路，包括隔离型dc
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dc电路、高精度电阻r1和r2、负载电阻r3、线性光耦u2、微型单片机u1、微处理器和辅助电源，其中所述隔离型dc
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dc电路输出正端与辅助电源输入端连接，辅助电源输出端与所述微型单片机u1的vdd端连接，所述微型单片机的输出端gp2与所述线性光耦u2的发光二极管阳极连接，所述线性光耦u2的光敏三极管发射极与所述微处理器i/o口连接，所述线性光耦u2的光敏三极管集
电极和所述微处理器vss端均连接到地gnd，所述隔离型dc
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dc电路输出负端与辅助电源接地端、微型单片机u1的vss端、线性光耦u2的发光二极管阴极的公共端连接，所述高精度电阻r1一端连接隔离型dc
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dc电路输出正端，另一端连接所述微型单片机u1模拟输入端gp0，所述高精度电阻r2一端连接高精度电阻r1，另一端连接所述隔离型dc
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dc电路输出负端，所述负载电阻r3一端连接微处理器i/o口，另一端和微处理器vdd端连接，所述微处理器vdd端与所述vcc电源连接。
9.本实用新型的工作原理为在隔离式dc
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dc电路输出端增加辅助电源，为微型单片机供电，被采集电压通过2高精度电阻r1、r分压到合适范围后，输入到微型单片机的输入端，微型单片机的ad转换器对输入的电压值进行采样、均值滤波等处理，得到采样电压值，在微型单片机内将得到的采样电压值按照一定的数学关系转换为pwm信号的占空比(例如占空比0％～100％线性对应0v～ad转换器满量程)，最终通过微型单片机的输出端gp2输出到线性光耦的输入端，线性光耦将微型单片机输出的pwm信号从输入端无损传输到输出端，由于光耦合器是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高，从线性光耦输出的pwm信号可由微处理器检测该pwm信号的占空比，然后根据数学关系得到被隔离采样电压的实际值，实现对隔离电压进行精确采样的功能。由于在对电压进行采样时，必须使a/d转换器的参考电压地和被采样多路电压的负端处于等电势，由上述描述的结构可知，在不破坏各路电压的相互隔离性的前提下，实现了对电压值的精确采样。
10.进一步优选，所述微型单片机内部封装有ad采样模块和pwm信号输出模块，所述ad采样模块与pwm信号输出模块连接，因此微型单片机要选用体积小、具有ad采样功能和pwm信号输出功能的型号。
11.进一步优选，所述微型单片机采用型号为pic10f22x的单片机，此型号的微型单片机为sot
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23封装，内部自带晶振，具有两路分辨率为8bit的ad转换器和一路pwm输出i/o接口。
12.进一步优选，还包括集成ad转换芯片，所述集成ad转换芯片与所述微型单片机u1连接，所述集成ad转换芯片为高精度，由于电压值的采样数据由微型单片机的ad转换器直接采样而来，采样精度可控，且采样精度指标直接由ad转换器的性能决定，不受电路中其他因素的干扰，在精度要求很高的应用场景，通过在微型单片机外扩集成高精度ad转换芯片实现。
13.微型单片机的工作流程为先对单片机进行初始化处理，控制微型单片机的ad转换器对模拟输入端an0输入的电压信号进行采样，对采集到的模拟电压信号进行数据转换和均值滤波处理，得到采样电压值，将得到的采样电压值按照一定的数学关系转换为pwm信号的占空比(例如占空比0％～100％线性对应0v～ad转换器满量程)，最后将得到的pwm波通过输出端输入到下一级电路。
14.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
15.本实用新型为一种电压隔离采样电路，采样数据由微型单片机的ad转换器直接采样而来，采样精度可控，且采样精度指标直接由ad转换器的性能决定，不受电路中其他因素的干扰。在精度要求很高的应用场景，可以通过在微型单片机外扩集成高精度ad转换芯片实现；本隔离电压采样电路的核心硬件仅需一片辅助电源芯片、一片微型单片机、一片线性
光耦，相较于现有技术，体积大大减小、成本大大降低。本实用新型通过更改分压电阻阻值、微型单片机的程序中被采样电压实际值与采样值的数学对应关系，可以实现宽范围的隔离电压采样，具有很高的可移植性和通用性；经过本实用新型提高了现有的隔离电压采样技术的采样精度，并降低现有的隔离电压采样技术的硬件成本和电路体积。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
17.图1为本实用新型结构示意图；
18.图2为一种实施例结构示意图；
19.图3为微型单片机处理主程序流程图。
具体实施方式
20.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
21.在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
22.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
23.在本实用新型的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
24.实施例1
25.现有技术中，通过变压器隔离对电压进行隔离采样，由于每一路被采样电压必须使用一只变压器，变压器等分离元件的体积较大，成本较高，使用场合受限；并且采样时需根据各路被采样的电压值分别设计变压器的电压传输比，方案的可移植性差。变压器在制作时由于工艺原因，参数一致性较差，电压传输比无法精确控制，导致电压值的采样精确度大大降低，采样结果仅能作为粗略值参考；而使用集成隔离运算放大器进行隔离采样，隔离运算放大电路抗干扰能力差。
26.鉴于现有技术在采样精确度低、硬件成本高、电路尺寸大、电路可靠性差等、方案移植性差方面的问题，如图1所示，本实用新型一种电压隔离采样电路，包括隔离型dc
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dc电
路、高精度电阻r1和r2、负载电阻r3、线性光耦u2、微型单片机u1、微处理器和辅助电源，其中隔离型dc
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dc电路输出正端与辅助电源输入端连接，辅助电源输出端与微型单片机u1的vdd端连接，微型单片机的输出端gp2与线性光耦u2的发光二极管阳极连接，线性光耦u2的光敏三极管发射极与微处理器i/o口连接，线性光耦u2的光敏三极管集电极和微处理器vss端均连接到地gnd，隔离型dc
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dc电路输出负端与辅助电源接地端、微型单片机u1的vss端、线性光耦u2的发光二极管阴极的公共端连接，高精度电阻r1一端连接隔离型dc
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dc电路输出正端，另一端连接微型单片机u1模拟输入端gp0，高精度电阻r2一端连接高精度电阻r1，另一端连接隔离型dc
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dc电路输出负端，负载电阻r3一端连接微处理器i/o口，另一端和微处理器vdd端连接，微处理器vdd端与vcc电源连接。
27.具体实施例中，微型单片机内部封装有ad采样模块和pwm信号输出模块，ad采样模块与pwm信号输出模块连接，因此微型单片机要选用体积小、具有ad采样功能和pwm信号输出功能的型号，本实用新型微型单片机采用的型号为pic10f22x的单片机，此型号的微型单片机为sot
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23封装，内部自带晶振，具有两路分辨率为8bit的ad转换器和一路pwm输出i/o接口。
28.本实用新型的工作原理为在隔离式dc
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dc电路输出端增加辅助电源，为微型单片机供电，被采集电压通过2高精度电阻r1、r分压到合适范围后，输入到微型单片机的输入端，微型单片机的ad转换器对输入的电压值进行采样、均值滤波等处理，得到采样电压值，在微型单片机内将得到的采样电压值按照一定的数学关系转换为pwm信号的占空比(例如占空比0％～100％线性对应0v～ad转换器满量程)，最终通过微型单片机的输出端gp2输出到线性光耦的输入端，线性光耦将微型单片机输出的pwm信号从输入端无损传输到输出端，由于光耦合器是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高，从线性光耦输出的pwm信号可由微处理器检测该pwm信号的占空比，然后根据数学关系得到被隔离采样电压的实际值，实现对隔离电压进行精确采样的功能。由于在对电压进行采样时，必须使a/d转换器的参考电压地和被采样多路电压的负端处于等电势，由上述描述的结构可知，在不破坏各路电压的相互隔离性的前提下，实现了对电压值的精确采样。
29.实施例2
30.如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，当在对电压采样精度要求很高的应用场景时，在微型单片机u1外扩一集成高精度ad转换芯片。由于电压值的采样数据由微型单片机的ad转换器直接采样而来，采样精度可控，且采样精度指标直接由ad转换器的性能决定，不受电路中其他因素的干扰，通过提高ad转换器的精度来提高采样精度，实现多路实时相互之间隔离的电压进行精确的采样。
31.如图3所示，依照微型单片机的工作流程对单片机进行程序编写，先对单片机个端口值进行初始化处理，控制微型单片机的ad转换器对模拟输入端an0输入的电压信号进行采样，对采集到的模拟电压信号进行数据转换和均值滤波处理，得到采样电压值，将得到的采样电压值按照一定的数学关系转换为pwm信号的占空比(例如占空比0％～100％线性对应0v～ad转换器满量程)，最后将得到的pwm波通过输出端输入到下一级电路。利用微型单片机的程序中被采样电压实际值与采样值的数学对应关系，可以实现宽范围的隔离电压采样。
32.可以理解的是，通过上述结构和工作过程，本实用新型一种电压隔离采样电路，采样数据由微型单片机的ad转换器直接采样而来，采样精度可控，且采样精度指标直接由ad转换器的性能决定，不受电路中其他因素的干扰。在精度要求很高的应用场景，可以通过在微型单片机外扩集成高精度ad转换芯片实现；本隔离电压采样电路的核心硬件仅需一片辅助电源芯片、一片微型单片机、一片线性光耦，相较于其他方案，体积大大减小、成本大大降低。本实用新型通过更改分压电阻阻值、微型单片机的程序中被采样电压实际值与采样值的数学对应关系，可以实现宽范围的隔离电压采样，具有很高的可移植性和通用性；经过本实用新型提高了现有的隔离电压采样技术的采样精度，并降低现有的隔离电压采样技术的硬件成本和电路体积。
33.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。