基于变压器和运算放大器的信号隔离传输方法及电路与流程

本发明属于通信设备技术领域，尤其涉及基于变压器和运算放大器的信号隔离传输方法及电路。

背景技术：

在通信设备或者通信系统里经常都会用到ttl电平的信号进行通信或者监控系统运行状态。但是有时两台设备间不共地，甚至同一台设备里不同模块间也不能共地，这样一来两个设备间或者两个模块间就会有不确定的电势差，如果将他们直接相连就可能会干扰他们的正常运行，造成通信故障，甚至烧坏机器。为解决这一问题，通常会将需要传输的ttl电平信号进行电气隔离后再传输，这样一来就解决了共模干扰的问题，也能正常通信。为解决ttl电平信号的隔离传输问题，现有技术常采用光电耦合器来形成隔离，这种做法虽然可行，但是光电耦合器价格较高，尤其是有很多路信号需要隔离传输时，如果都使用光电耦合器进行隔离，成本将会很高。以太网通常使用网络变压器来实现网络数据的隔离传输，成本会使用光耦芯片低很多。但是变压器只能耦合交流信号，故不能直接用变压器来进行ttl电平信号的隔离传输。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于变压器和运算放大器的信号隔离传输方法及电路，能够降低ttl电平信号的隔离传输的成本，并实现隔离功能。

本发明实施例是这样实现的：

基于变压器和运算放大器的信号隔离传输方法，包括：

将一ttl电平输入信号串联一颗电阻后输入变压器的初级线圈；

输入的ttl电平的信号发生跳变的时候变压器的次级线圈将产生突变电压；

由运算放大器构成的滞回比较器将次级线圈的突变电压还原为另一ttl电平输出信号；

其中，所述滞回比较器向上跳变的阀值为vt+，滞回比较器向下跳变的阀值vt-，变压器次级线圈标点端相对非标点端的负向突变电压为-vs，变压器次级线圈标点端相对非标点端的正向突变电压为vs，-vs＜vt-＜0＜vt+＜vs。

应用所述隔离传输方法的电路，包括：变压器、运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，第一电阻的一端接ttl电平信号输入端，另一端连接变压器初级线圈的标点端，变压器初级线圈的非标点端接第一信号地，变压器次级线圈的非标点端接第二信号地，变压器次级线圈的标点端接第二电阻的一端，第二电阻的另一端接运算放大器的正输入端，第三电阻的两端分别接运算放大器的正输入端和输出端，第四电阻的两端分别接第二信号地和运算放大器的负输入端，运算放大器的输出端作为隔离后的ttl电平信号输出端。

本发明实施例与使用光耦器件或者磁耦器件相比，使用基于变压器和运算放大器的ttl电平信号的隔离传输电路成本将会低很多，不到前者的一半，尤其是在多路ttl电平信号需要隔离传输的系统中成本优势更加明显。

附图说明

图1是本发明隔离传输电路原理图；

图2是图1中各个位置的信号波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

基于变压器和运算放大器的信号隔离传输方法，包括：

将一ttl电平输入信号串联一颗电阻后输入变压器的初级线圈；

输入的ttl电平的信号发生跳变的时候变压器的次级线圈将产生突变电压；

由运算放大器构成的滞回比较器将次级线圈的突变电压还原为另一ttl电平输出信号；

其中，所述滞回比较器向上跳变的阀值为vt+，滞回比较器向下跳变的阀值vt-，变压器次级线圈标点端相对非标点端的负向突变电压为-vs，变压器次级线圈标点端相对非标点端的正向突变电压为vs，-vs＜vt-＜0＜vt+＜vs。

应用所述隔离传输方法的电路，包括：变压器、运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，第一电阻的一端接ttl电平信号输入端，另一端连接变压器初级线圈的标点端，变压器初级线圈的非标点端接第一信号地，变压器次级线圈的非标点端接第二信号地，变压器次级线圈的标点端接第二电阻的一端，第二电阻的另一端接运算放大器的正输入端，第三电阻的两端分别接运算放大器的正输入端和输出端，第四电阻的两端分别接第二信号地和运算放大器的负输入端，运算放大器的输出端作为隔离后的ttl电平信号输出端。

本发明的具体方案及原理如下：

一种基于变压器和运算放大器的ttl电平信号的隔离传输的具体实施电路如图1所示，但本发明方案实现的具体电路不仅限于此，电路还可以有其他具体的连接方式，只要运用了本发明所提出的方案均在本发明专利的保护之内。整个电路主要由电阻r1、变压器t1、电阻r2、r3、r4以及运算放大器u1构成。具体连接方式如下：

①电阻r1的1脚为ttl电平信号的隔离传输电路输入端；

②电阻r1的2脚接变压器t1初级线圈的标点端；

③变压器t1初级线圈的非标点端接gnd_1(gnd_1信号地，与gnd_2隔离)

④变压器t1次级线圈的标点端接电阻r2的1脚；

⑤变压器t1次级线圈的非标点端接gnd_2；

⑥电阻r2的2脚接运算放大器u1的正输入端和电阻r3的1脚；

⑦电阻r3的2脚接运算放大器u1的输出端；

⑧电阻r4的1脚接gnd_2；

⑨电阻r4的2脚接运算放大器u1的负输入端；

当信号输入端的ttl电平的信号由0变为1时，有电流经过电阻r1流向变压器t1初级线圈再流到gnd_1。因为变压器t1初级线圈的电流不能突变，所以在输入端的ttl电平的信号由0变为1的瞬间变压器t1初级线圈标点端电压将突变为vp，然后随着变压器t1初级线圈电流逐渐增大而减小，直到0v。变压器t1次级线圈标点端相对非标点端的电压也将突变为vs并逐渐减小到0v。

当信号输入端的ttl电平的信号由1变为0时，从电阻r1流向变压器t1初级线圈再流到gnd_1的电流逐渐减小。因为变压器t1初级线圈的电流不能突变，所以在输入端的ttl电平的信号由1变为0的瞬间变压器t1初级线圈标点端电压将突变为-vp，然后随着变压器t1初级线圈电流逐渐减小而增大，直到0v。变压器t1次级线圈标点端相对非标点端的电压也将突变为-vs并逐渐增大到0v。

电阻r2、r3、r4以及运算放大器u1一起构成了正向一个滞回比较器，记滞回比较器向上跳变的阀值为vt+，记滞回比较器向下跳变的阀值为vt-。调节r2、r3的阻值可以调整滞回比较器的阀值，r4的阻值需由r2、r3的阻值确定。

调整r1和变压器t1，使vs尽可能大，再调整电阻r2、r3的阻值使-vs＜vt-＜0＜vt+＜vs。比如当输入的ttl电平信号高电压为3.3v，运算放大器供电电压分别为+3.3v和-3.3v时，电阻r1的取值可以是100ω，电阻r2、r3的取值可以是1mω，变压器初次级匝数比为1∶2，变压器初级线圈的电感量为1uh以上。

当信号输入端的ttl电平信号保持为0或者1时，变压器t1次级线圈没有信号输出，电压为0v。此时运算放大器u1将保持当前的输出状态。

当信号输入端的ttl电平信号由0变为1时，变压器t1次级线圈标点端电压将跳变为vs并逐渐减小。在电压跳变的瞬间因为0＜vt+＜vs，运算放大器u1将输出高电平；之后变压器t1次级线圈标点端电压降为0v，运算放大器u1将保持当前的输出状态。

当信号输入端的ttl电平信号由1变为0时，变压器t1次级线圈标点端电压将跳变为vs并逐渐减小。在电压跳变的瞬间因为-vs＜vt-＜0，此时运算放大器u1将输出低电平；之后变压器t1次级线圈标点端电压升为0v，运算放大器u1将保持当前的输出状态。

综上所述，电路实现了ttl电平信号的隔离传输。电路中各个位置的信号波形如图2所示。

本发明的实施例中，需要使用一个具有初级线圈和次级线圈两个线圈的变压器和一颗运算放大器；将一颗电阻一端和变压器的初级线圈一端接到一起，变压器的初级线圈的另一端接地或者接某一参考电压，ttl电平的信号从所述电阻的另一端输入。当ttl电平的信号发生跳变的时候因为变压器初级线圈的电流不会发生突变，电阻两端的电压也就不会发生突变，所以变压器初级线圈两端的电压会随着ttl电平的信号的跳变而跳变，变压器次级线圈两端会有相应的信号输出；用运算放大器和电阻搭建一个阀值小于脉冲信号幅度的滞回比较器；用滞回比较器将变压器的次级线圈输出的脉冲信号转变为ttl电平信号，从而实现ttl电平信号的隔离传输。

本发明实施例与使用光耦器件或者磁耦器件相比，使用基于变压器和运算放大器的ttl电平信号的隔离传输电路成本将会低很多，不到前者的一半，尤其是在多路ttl电平信号需要隔离传输的系统中成本优势更加明显。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。