一种基于电容隔离的电压数字转换电路的制作方法

1.本发明属于航空航天设备领域，具体涉及一种基于电容隔离的电压数字转换电路。


背景技术：

2.在航空航天和工业控制领域中，为避免在各节点之间形成环路电流，导致造成各机构之间相互影响，使得设备性能下降或导致其他严重事故，需要对各电气节点进行隔离，同时，又为了监测各电气节点的工作状态，又需要对被隔离的电气节点的电压、电流、温度等模拟电压信号进行测量。
3.对于传统的模拟信号隔离，方法可分为两大类。一是基于线性光耦及其反馈电路，该方案的中心思想在于线性光耦中两个相同的光晶体管能够接收相同大小的光电流，并依靠运放负反馈电路控制隔离端的光晶体管的光电流与压流转换器的电流成比例，则测量端的光电流在通过流压转换器后的输出电压就等于隔离端的输入电压,但该方法价格高、带宽低、结构复杂，精度不高且随时间、温度衰减严重；二是基于电压频率和频率电压转换电路，将隔离端的模拟信号转换为与电压大小相关的数字频率信号，将该数字频率信号通过数字光耦后再使用频压转换器转换回模拟电压，但该方法结构复杂、功耗高，且测量范围存在死区。同时，这两种方案在测量端得到还原的模拟电压后，还需要配置模拟开关实现通道切换，模拟开关的引入又造成了阻抗失配的问题，从而需要在模拟开关后接一级运算放大器构成的跟随器对模拟开关的输出信号进行缓冲，缓冲后的模拟电压信号再接入模数转换器实现模数转换，最后通过模数转换器的总线接口与fpga系统通信，组合成完整的隔离式电压测量系统，系统框图如图1所示。
4.同时，在隔离器件的选择上，数字光耦和线性光耦均为基于光介质的传输器件，具有体积大、功耗高、绝缘耐压低、随温度和时间衰减严重等缺点，无法满足新一代航空航天设备的要求。
5.由于上述两种传统方案均存在相应的缺点，且电路复杂性较高，在测量通道的拓展上依赖模拟开关的数量，这极大地限制了新一代航天设备的发展，尤其是在遥测系统中，模拟电压隔离测量的通道数高达上百路，传统测量方案难以满足实际需求，急需更高集成度的模拟电压隔离测量技术，研制一款小型化、多通道、高精度、稳定性好的模拟电压隔离测量电路。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服多组非共地模拟电压信号的测量问题，提供一种基于电容隔离的电压数字转换电路，摆脱了传统的模拟开关、运放跟随器和模数转换器，对外接口的数字化使得接线数量和器件占用面积大幅减少，能够在较小的电路面积下实现数十路甚至上百路的模拟电压信号隔离测量的需求。
7.为了达到上述目的，本发明包括：
8.信号调整电路，用于接收双极性电压信号，并输出单极性电压信号至电压/数字转换电路；
9.电压/数字转换电路，用于接收单极性电压信号和隔离后的时钟信号，输出数字信号至电容式数字隔离器；
10.电容式数字隔离器，用于接收fpga系统的时钟信号，输出隔离后的时钟信号至电压/数字转换电路，输出隔离后的数字信号至fpga系统。
11.信号调整电路用于将双极性模拟电压信号转换为单极性模拟电压信号，完成信号的放大或衰减，同时进行去噪处理。
12.电压/数字转换电路用于将输入的单极性模拟电压信号按照所接收到的时钟信号进行量化，输出数字信号至电容式数字隔离器，传递至测量端。
13.电容式数字隔离器电路用于将输入的数字信号通过隔离电容器，同时对接收到的数字信号进行整形，输出标准的cmos电平至fpga系统。
14.fpga系统用于输出调制时钟clk给电容式数字隔离器，并按调制时钟clk的边沿接收电容式数字隔离器输出的数字信号dat，在内部的ip核中实现数字低通滤波器，并计算得到对应的双极性模拟电压的值。
15.信号调整电路包括运算放大器op1和运算放大器op2；
16.运算放大器op2的正向输入端连接电阻r1的一端、电阻r2的一端和电容c1的一端，电阻r1的另一端连接信号正极，电阻r2的另一端连接电容c1的另一端、运算放大器op2的输出端和输出信号vout，运算放大器op2的反向输入端连接电阻r3的一端、电阻r4的一端和电容c2的一端，电阻r3的另一端信号负极，电阻r4的另一端连接电容c2的另一端、输出虚地信号vg、运算放大器op1的反向输入端和运算放大器op1的输出端，运算放大器op1的正向输入端连接电容c3的一端、电阻r5的一端和电阻r6的一端，电阻r5的另一端连接电压基准vref，电阻r6的另一端连接电容c3的另一端和接地端。
17.电压/数字转换电路包括求和节点sum1、求和节点sum2、迟滞比较器cmp和d触发器filp；
18.求和节点sum1对单极性正电压vout和d触发器filp的输出信号q做减法，将结果通过积分器i1做连续时间积分；
19.求和节点sum2对积分器i1的输出和d触发器filp的输出信号q做减法，将结果通过积分器i2做连续时间积分；
20.迟滞比较器cmp对积分器i2的输出与信号调理电路中的vg信号进行比较，输出信号至d触发器filp；
21.d触发器filp在输入时钟clk的影响下，结合电压基准vref，按时钟周期对比较器cmp的输出信号进行锁存，按clk的时钟周期输出数字信号，并接入求和节点sum1和求和节点sum2成为系统反馈信号。
22.电容式数字隔离器包括迟滞比较器cmp2和迟滞比较器cmp3；
23.迟滞比较器cmp2的输入端连接电阻r7的一端，电容c4的一端和电阻r8的一端，电容c4的另一端连接输入的时钟信号，电阻r7的另一端连接隔离端电源vcc1，电阻r8的另一端，连接电容c6的一端和接地端，电容c6的另一端连接电阻r10的一端和接地端，电阻r10的另一端连接电容c5的一端、电阻r9的一端和迟滞比较器cmp3的输入端，电容c5的另一端连
接数字信号dat的输入端，电阻r9的另一端连接数字端电源vcc2，迟滞比较器cmp2的输出端输出时钟信号，迟滞比较器cmp3的输出端输出数字信号；
24.电阻r7、电阻r8、电阻r9和电阻r10均为直流偏置设置电阻。
25.电容c4、电容c5和电容c6均为高压隔离电容器。
26.与现有技术相比，本发明通过电压/数字转换电路将双极性模拟信号调制为数字信号，在通过电容式数字器后进入fpga系统进行处理，能够实现无失真的模拟信号传输，从根本上杜绝了传统方案模拟信号隔离传输的问题，增强了抗噪能力，提高了系统的测量精度。在接口上，外部可以直接输入双极性正负电压，转换为单比特的数字信号，而对于不同路的调制时钟可以复用，减少了外部接口数量，降低了系统的复杂度，同时在fpga中构建串联梳状滤波器对单比特数字信号进行低通滤波，滤除电压/数字转换电路引入的高频调制信号，最终还原隔离端的模拟电压信号。本发明解决了多组非共地模拟电压信号的测量问题，其测量精度高，且不随温度和时间变化，电路体积小，成本可控，路数可配置且路路独立，经fpga处理后可使用各类通讯总线进行输出，具有小型化、高集成度、高灵活性等特点，可广泛应用于航天航空、工业控制等领域。
附图说明
27.图1为传统的隔离式电压采集系统框图；
28.图2为本发明的电路框图；
29.图3为本发明中信号调理电路的示意图；
30.图4为本发明中电压/数字转换电路的示意图；
31.图5为本发明中电容式数字隔离电路的示意图；
32.图6为本发明隔离电压采集系统框图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步说明。
34.为了保证隔离测量的精度，在隔离通道上传输的就必须是数字信号，也只有数字信号才能无损传输，如果能够在隔离端对模拟电压信号进行数字调制，调制后的数字信号包括低频的模拟信号和高频的数字载波信号，并使用数字隔离器对该数字信号进行隔离传输，之后在fpga中构建数字滤波器滤除高频的载波信号，就能够还原出原始的模拟信号。相对于线性光耦直接将模拟信号通过隔离通道，这种设计在隔离传输的链路上不存在信号失真和衰减的现象，不仅降低了隔离通道的设计难度，并且在通过隔离通道后，数字信号本身也更容易处理，可以略去传统的多路选择器、模拟开关和模数转换器等器件，直接接入fpga中，对数字信号进行处理，这样就可以大大简化硬件电路，从而降低成本，提高设计可靠性。
35.同时，在该电压/数字转换电路的输出上，只包含一个时钟输入信号clk和一个转换数据输出信号dat，两信号均为cmos电平标准，可以直入fpga系统中，在处理多测量通道时，时钟输入信号clk可以复用，不同通道的独立信号只有数据转换信号dat。可以说，该方案具有测量精度高，体积小、稳定性好、易于数字化集成等特点。
36.另外，在数字隔离器的选择上，传统方案会选择数字光耦或者磁隔离器，数字光耦的缺点和线性光耦类似，其信号传输介质是光，其速度慢、功耗高，且存在光衰问题，长期可
靠性难以保证；磁隔离器的信号传输介质是磁场，这是一种以标准半导体工艺进行集成的技术，内部信号变压器属于无磁芯变压器，具有高速度、高可靠的特点，其缺点在于成本较高，且变压器本身就是一个辐射源，可能会导致emi问题。
37.本发明选择电容式隔离器作为数字隔离器，其绝缘强度高、功耗低、速度快、结构简单可靠，不存在emi问题，可以高效率地实现数字信号的隔离传输，从而进一步降低电路的体积和成本。
38.参见图2，本发明包括：
39.参见图3，信号调整电路，用于接收双极性电压信号，并输出单极性电压信号至电压/数字转换电路；由于转换电路的供电为单电源，为了能够测量负电压，信号调整电路用于将双极性模拟电压信号转换为单极性模拟电压信号，同时完成信号的放大或衰减，同时实现一个一阶的模拟低通滤波器，同时对输入信号进行去噪处理。
40.信号调整电路包括运算放大器op1和运算放大器op2；运算放大器op2的正向输入端连接电阻r1的一端、电阻r2的一端和电容c1的一端，电阻r1的另一端连接信号正极，电阻r2的另一端连接电容c1的另一端、运算放大器op2的输出端和输出信号vout，运算放大器op2的反向输入端连接电阻r3的一端、电阻r4的一端和电容c2的一端，电阻r3的另一端信号负极，电阻r4的另一端连接电容c2的另一端、输出虚地信号vg、运算放大器op1的反向输入端和运算放大器op1的输出端，运算放大器op1的正向输入端连接电容c3的一端、电阻r5的一端和电阻r6的一端，电阻r5的另一端连接电压基准vref，电阻r6的另一端连接电容c3的另一端和接地端。
41.运算放大器op1设计为跟随输入模式，其具有高输入阻抗低输出阻抗的特点，对输入电压进行缓冲处理，输出虚地信号vg，其能够在一定程度吸收或输出电流，维持虚地信号vg的电压保持不变；运算放大器op2设计为差动输入模式，可以提取输入信号中的差分项(v
in+-v
in-)，将输入的双极性正负电压转换为单极性正电压，并通过电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r4构成放大或衰减网络，将信号摆幅调整至运算放大器供电电压以内，同时通过电容c1和c2构成极点，对信号进行低通滤波。
42.参见图4，电压/数字转换电路，用于接收单极性电压信号和隔离后的时钟信号，输出数字信号至电容式数字隔离器；电压/数字转换电路用于将输入的单极性模拟电压信号按照所接收到的时钟频率进行量化，输出数字化的“1”或者“0”，输出数字信号至电容式数字隔离器，传递至测量端。
43.电压/数字转换电路包括求和节点sum1、求和节点sum2、迟滞比较器cmp和d触发器filp；
44.求和节点sum1对单极性正电压vout和d触发器filp的输出信号q做减法，将结果通过积分器i1做连续时间积分；
45.求和节点sum2对积分器i1的输出和d触发器filp的输出信号q做减法，将结果通过积分器i2做连续时间积分；
46.迟滞比较器cmp对积分器i2的输出与信号调理电路中的vg信号进行比较输出数字量“1”或者“0”，且比较器内部具备一定的迟滞范围，以减少电路噪声影响，输出信号至d触发器filp；
47.d触发器filp在输入时钟clk的影响下，结合电压基准vref，按时钟周期对比较器
cmp的输出信号进行锁存，按clk的时钟周期输出数字信号，“1”或者“0”，对应模拟电压为“+vref”或“0”，并接入求和节点sum1和求和节点sum2成为系统反馈信号。
48.电压基准vref为带隙电压基准，该电路不受输入电压、直流电流和温度的影响，为隔离端的模拟电压转换提供参考值。
49.参见图5，电容式数字隔离器，用于接收fpga系统的时钟信号，输出隔离后的时钟信号值电压/数字转换电路，输出隔离后的数字信号至fpga系统。电容式数字隔离器电路用于将输入的数字信号通过隔离电容器，发送回fpga系统，或对接收到的数字信号进行整形，输出标准的cmos电平至fpga系统。
50.电容式数字隔离器由电阻器和迟滞比较器组成，结构为镜像结构，对应一通道数字隔离发送和一通道数字隔离接收，对应数字信号clk和dat，数字信号调制策略为单极性电压边沿脉冲调制，通过设置合适的直流偏置电压，利用输入数字信号的上升沿和下降沿，对迟滞比较器的输出信号进行锁存，从而将输入数字信号传递到另一侧。
51.电容式数字隔离器包括迟滞比较器cmp2和迟滞比较器cmp3；迟滞比较器cmp2的输入端连接电阻r7的一端，电容c4的一端和电阻r8的一端，电容c4的另一端连接输入的时钟信号，电阻r7的另一端连接隔离端电源vcc1，电阻r8的另一端，连接电容c6的一端和接地端，电容c6的另一端连接电阻r10的一端和接地端，电阻r10的另一端连接电容c5的一端、电阻r9的一端和迟滞比较器cmp3的输入端，电容c5的另一端连接数字信号dat的输入端，电阻r9的另一端连接数字端电源vcc2，迟滞比较器cmp2的输出端输出时钟信号，迟滞比较器cmp3的输出端输出数字信号；
52.电阻r7、电阻r8、电阻r9和电阻r10均为直流偏置设置电阻，为隔离电容c4和c5提供直流偏置。电容c4、电容c5和电容c6均为高压隔离电容器，其具有容值小、漏电流小、耐压高、稳定性强等特点。迟滞比较器cmp2和迟滞比较器cmp3为迟滞比较器，对隔离电容后的信号进行锁存，以将边沿信号还原为正确的数字电平信号；
53.fpga系统用于输出调制时钟clk给电容式数字隔离器，并按调制时钟clk的边沿接收电容式数字隔离器输出的数字信号dat，在内部的ip核中实现数字低通滤波器，并计算得到对应的双极性模拟电压的值。
54.实施例：
55.参见图6，本发明实现了4通道路路隔离的电压测量系统，该方案使用了4套电容式数字电压转换电路，对4路不同参考地线的电压信号进行转换；同时利用fpga产生一个时钟信号给4个转换电路使用，并采集4个数据信号dat1～dat4，最后通过内部构建的数字滤波器实现模拟信号的还原和测量。