CN208939925U

CN208939925U - 一种具有线性隔离特性的模数转换电路

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Publication number: CN208939925U
Application number: CN201821564117.2U
Authority: CN
Inventors: 郝晓辰; 郑立召; 李博文
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2028-09-21

Abstract

本实用新型涉及模数转换中信号处理技术领域，具体涉及一种输出范围可调且具有线性隔离特性的模数转换电路，包括：输入信号调理模块，用于将输入的电流或电压信号转换成所需幅值的电压信号，并将所述的电压信号输出到线性隔离模块；所述的线性隔离模块，将所述的电压信号进行模拟隔离，最后将电压信号按照芯片需求进行调节，滤波，输出至A/D转换模块进行模数转换，转换后的数字量代入单片机程序进行运算。该模数转换电路采用模拟隔离和电源隔离的双重隔离，增强了抗干扰能力，内部电路结构精炼，通过配置端口接线方式即可实现电压和电流的切换测量，通过改变内部极少部分器件的参数，即可改变输入到输出的增益系数，适应不同的测量***。

Description

一种具有线性隔离特性的模数转换电路

技术领域

本实用新型涉及模数转换中信号处理技术领域，具体涉及一种输出范围可调且具有线性特性的模数转换电路。

技术背景

在计算机数据采集***、测量仪表等诸多工业测量中,都需要用到A/D转换，将模拟量转换为计算机可识别的数字量，而在A/D转换之前，都需要解决一个共性问题，就是工业现场模拟信号采集过程的抗干扰问题，在进行现场测量时，各种电磁信号会随着被测信号进入测量***，造成测量的准确性降低，另一方面，测量***与被测***“共地”也会引入干扰，造成测量***不稳定。传统的模拟前端处理电路往往只能处理一种电压信号或电流信号，功能单一，目前常用的隔离方法有隔离放大器、数字光电隔离器，前者有良好的线性度和稳定性，但是成本太高，使用与要求较高的场合，后者也可以模拟隔离，但是要加一些辅助器件,但由于数字光电隔离器本身的非线性，导致这种隔离电路线性度不高，测量不准确。

鉴于上述测量方法的缺陷，我们急需一种电路结构简单，线性度好，测量功能多样，测试准确，干扰小，抗干扰能力强的测量方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单，抗干扰能力强，处理功能多样，具有线性隔离特性的模数转换电路，根据本实用新型设计的模拟前端处理电路，输出电压线性度好，干扰小，稳定性强。

所述线性光耦型号为HCRN201，运算放大器型号为OP-07。

优选的，所述A/D转换模块的芯片为速度和分辨率可调的24位高速转换芯片LTC2440。

优选的，所述的信号处理电路包括一个脉冲输入端子X1；三个用来抑制尖峰干扰的磁珠FB1，FB2，FB3；一个保险丝F1；一个电阻R1；两个分压电阻R2，R3；一个稳压管D1；三个滤波电容C1，C2，C3。

优选的，所述的线性隔离模块包括两个限流电阻R4，R5；两个运算放大器IC1，IC2；两个反馈电容C4，C5；一个控制输出电压大小的电阻R6；滤波电容C6，C7；一个线性光耦HCNR201，以及其内部的一个LED和两个光敏二极管PD1，PD2。

优选的，所述的线性隔离模块包括滤波部分的四个电容C8、C9、C10、C11，两个电感L1、L2，两个电阻R7、R8；一个AD转换芯片U1；

优选的，所述的信号处理电路的端子X1的一脚、二脚、三脚分别与FB1、FB2、FB3的一脚相连；FB1的二脚与F1的一脚连接，F1的二脚分别与R1、D1、C1、C2、R2的一脚连接；FB2的二脚与R1的一脚相连；R2的二脚分别与信号处理电路输入端、C3和R3的一脚相连；FB3、C1、D1、C2、C3、R3的二脚都与GND1相连。

优选的，所述的线性隔离模块的输入端与限流电阻R4的一脚相连；限流电阻R4的二脚分别与反馈电容C4的一脚，运算放大器IC1的反向输入端以及负反馈光敏二极管PD1的阴极相连；限流电阻R5的一脚分别与反馈电容C4的二脚以及运算放大器IC1的六脚相连；限流电阻R5的二脚接LED阴极，LED阳极接VDD；光敏二极管PD2的阴极与运算放大器IC2的二脚，R6的一脚以及C5的一脚相连；IC2的输出端分别与R6的二脚，C5的二脚，C6的一脚以及C7的一脚相连；PD1的同向输入端以及PD1的阳极接GND1；LED的阳极接电源VDD；IC1、IC2的七脚与电源VCC+相连；IC1、IC2的四脚与电源VCC-相连；IC2的同向输入端、PD2的阳极以及C6、C7的的二脚均与GND2相连，IC2的输出端与单片机的A/D转换模拟量输入引脚相连。

优选的，所述的A/D转换模块的输入端分别与L1、C8的一端相连；L1的二脚分别接C10、R7的一脚相连；C10的二脚接电感L2和电阻R8的一脚；L2的二脚接C9的一脚；R7的二脚分别与A/D转换芯片的五脚以及C11的一脚相连；C11的二脚分别与U1的六角以及R8的二脚相连；C8、C9的二脚，A/D转换芯片U1的SDI、EXT、CS、VREF-均接GND；VREF+接电源VCC1；

本实用新型采用上述技术方案，本实用新型具有以下技术效果：

本实用新型的具有线性特性的模数转换电路能够稳定、准确的对电流或电压信号进行处理，模拟信号进入后，首先经过磁珠滤除尖峰干扰，再经过电容滤波，分压电阻作用，得到期望的电压幅值，得到的电压信号进入信号处理模块，经过限流电阻进入运算放大器，运算放大器的输出进入线性光耦，光耦前后的电源和地隔离，防止干扰，经过光电转换后，一方面进行负反馈控制，达到稳定LED输出光强度，改善线性光耦的线性度的目的，另一方面输出至下一级电阻和运算放大器，使电流信号向电压信号转换，并且可调节阻值使输出端达到期望电压值。在经过滤波后，电压信号进入A/D转换模块，完成模拟量向数字量的转换，最终进入单片机进行程序运算。本实用新型的数字化模拟前端处理电路实现了电压或电流信号的数字化、采用模拟隔离和电源隔离的双重隔离，增强了抗干扰能力，提升了测量结果的准确度，内部电路结构精炼，通过配置端口接线方式即可实现电压和电流的切换测量，通过改变内部极少部分器件的参数，即可改变输入到输出的增益系数，以适应不同的测量***需求，使用方便，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型实施的具有线性隔离特性的模数转换电路的结构示意图：

其中1、电压信号；2、电流信号；3、信号调理模块；4、线性隔离模块；5、A/D转换模块；6、单片机模块；

图2是本实用新型的信号调理模块的原理图；

图3是本实用新型的线性隔离模块的原理图。

图4是本实用新型的A/D转换模块的原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案以及优点更加清楚，以下结合附图和实施实例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型提供一种输出范围可调且具有线性隔离特性的模数转换电路，包括：输入信号调理模块，用于将输入的电流信号或电压信号转换成所需幅值的电压信号，并将所述的电压信号输入到线性隔离模块；所述的线性隔离模块，将所述的电压信号进行模拟隔离，同时对隔离模块前后级的电源进行隔离，最后将电压信号按照自身需求进行调节，滤波，输入至A/D转换模块进行A/D转换，电压信号转换成数字量后进入单片机程序进行运算。

如图2所示，本实用新型提供的信号处理电路，包括一个脉冲输入端子X1；三个用来抑制尖峰干扰的磁珠FB1，FB2，FB3；一个保险丝F1；一个电阻R1；两个分压电阻R2，R3；一个稳压管D1；三个滤波电容C1，C2，C3。

其中，端子X1的一脚、二脚、三脚分别与FB1、FB2、FB3的一脚相连；FB1的二脚与F1的一脚连接，F1的二脚分别与R1、D1、C1、C2、R2的一脚连接；FB2的二脚与R1的一脚相连；R2的二脚分别与信号处理电路输入端、C3和R3的一脚相连；FB3、C1、D1、C2、C3、R3的二脚都与GND1相连。

如图2所示，本实用新型提供的线性隔离模块，包括两个限流电阻R4，R5；两个运算放大器IC1，IC2；两个反馈电容C4，C5；一个控制输出电压大小的电阻R6；滤波电容C6，C7；一个线性光耦HCNR201，以及其内部的一个LED和两个光敏二极管PD1，PD2；电源VCC及VDD。

其中，线性隔离模块的输入端与限流电阻R4的一脚相连；限流电阻R4的二脚分别与反馈电容C4的一脚，运算放大器IC1的反向输入端以及负反馈光敏二极管PD1的阴极相连；限流电阻R5的一脚分别与反馈电容C4的二脚以及运算放大器IC1的六脚相连；限流电阻R5的二脚接LED阴极，LED阳极接VDD；光敏二极管PD2的阴极与运算放大器IC2的二脚，R6的一脚以及C5的一脚相连；IC2的输出端分别与R6的二脚，C5的二脚，C6的一脚以及C7的一脚相连；PD1的同向输入端以及PD1的阳极接GND1；LED的阳极接电源VDD；IC1、IC2的七脚与电源VCC+相连；IC1、IC2的四脚与电源VCC-相连；IC2的同向输入端、PD2的阳极以及C6、C7的的二脚均与GND2相连，IC2的输出端与单片机的A/D转换模拟量输入引脚相连。

当输入信号是电流信号时，电流信号线需分别连接到X1接线端子的1脚和3脚，并把2、3脚用导线短接。电流信号首先通过磁珠滤除干扰信号，并通过电阻R1把电流信号转换成电压信号。电压信号通过电容进一步滤除干扰信号，最后通过R2、R3的分压原理，取R3两端的电压输出给线性隔离电路。

当输入信号是电压信号，电压信号线需分别连接到X1接线端子的1脚和2脚，3脚悬空。

输入电压V_in通过限流电阻R4加载到IC1运算放大器反向输入端。运算放大器输出端电压使LED有电流I0流过，电流I1驱动LED发光，PD1接在放大器IC1的输入端,以完成对LED输出光信号的检测。流经PD1的电流为I1＝V_in/R4，可见，当R4确定后，I1只正比于输入电压V_in。当其它因素引起LED的电流I0变化时，PD1的负反馈作用将抑制I0的变化,从而保证了LED输出光强度正比于输入电压V_in。在设计上，LED发光时，HCNR201的两只光敏二极管PD1和PD2的电流之比为K，则K＝I2/I1。IC2的输出为V_out＝I2·R6，综上可得V_out＝K·V_in·R5/R4，由此可知，线性隔离模块的输出与LED的光照强度没有关系，当一个线性光耦确定后，其K为定值，线性隔离模块的输出仅与R4、R5的阻值有关，只需调节这两个参数，就可得到期望输出电压，并输出到A/D转换模块。

电压信号进入A/D转换模块后，首先经过滤波电路进行滤波，进入A/D转换芯片LTC2440开始转换，由一个外部生成的串行时钟(SCK)信号将变化结果移出器件。在SCK脉冲信号的第一个上升沿之前，整个器件保持睡眠状态。数据到达SCK脉冲的下降沿时，数据从SDO输出，使得外部电路能够将数据锁定与SCK脉冲的上升沿。

线性隔离模块使输入输出的关系保持了线性，在隔离模拟信号的同时，也隔离了光耦前后的电源，抑制了干扰，增强了稳定性。

综上所述，模拟信号进入后，首先经过磁珠滤除尖峰干扰，再经过电容滤波，得到的电压信号进入信号处理模块，采用模拟隔离和电源隔离的双重隔离，增强了抗干扰能力，同时采用负反馈控制的方法，改善的线性度和稳定性，提升了测量结果的准确度，最终进入A/D转换模块，将模拟量转换为数字量，进入程序做下一步运算。通过配置端口接线方式即可实现电压和电流的切换测量，通过改变内部极少部分器件的参数，即可改变输入到输出的增益系数，以适应不同的测量***需求，使用方便，实用性强。

上面结合附图对本实用新型优选的具体实施方式和实施实例做了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式和实例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型构思的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，包括：输入信号调理模块，线性隔离模块，A/D转换模块；

所述的输入信号调理模块，用于将输入的电流信号或电压信号转换成所需幅值的电压信号，并将所述的电压信号输出到线性隔离模块；

所述的线性隔离模块，整体结构由两个运算放大器和一个线性光耦组成，功能是将所述的电压信号进行模拟隔离，同时对隔离模块前后级的电源进行隔离，最后将电压信号按照自身需求进行调节、滤波、输入至A/D转换模块；

所述的A/D转换模块，使用了外部的A/D转换芯片，干扰小，转换速度快，分辨率高，功能是将处理后的电压信号转换成数字量，以供单片机使用。

2.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述的输入信号调理模块包括电压输入通道和电流输入通道，二者可根据实际情况进行切换。

3.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述线性光耦型号为HCRN201，运算放大器型号为OP-07，所述A/D转换模块芯片为速度和分辨率可调的24位高速转换芯片LTC2440。

4.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述的输入信号调理模块包括一个脉冲输入端子X1；三个用来抑制尖峰干扰的磁珠FB1，FB2、FB3；一个保险丝F1；一个电阻R1；两个分压电阻R2、R3；一个稳压管D1；三个滤波电容C1、C2、C3。

5.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述的线性隔离模块包括两个限流电阻R4、R5；两个运算放大器IC1、IC2；两个反馈电容C4、C5；一个控制输出电压大小的电阻R6；滤波电容C6、C7；一个线性光耦HCNR201，以及其内部的一个LED和两个光敏二极管PD1、PD2。

6.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述的A/D转换模块包括滤波部分的四个电容C8、C9、C10、C11，两个电感L1、L2，两个电阻R7、R8；一个AD转换芯片U1。

7.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述的输入信号调理模块中端子X1的一脚、二脚、三脚分别与FB1、FB2、FB3的一脚相连；FB1的二脚与F1的一脚连接，F1的二脚分别与R1、D1、C1、C2、R2的一脚连接；FB2的二脚与R1的一脚相连；R2的二脚分别与信号处理电路输入端、C3和R3的一脚相连；FB3、C1、D1、C2、C3、R3的二脚都与GND1相连。

8.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述的线性隔离模块的输入端与限流电阻R4的一脚相连；限流电阻R4的二脚分别与反馈电容C4的一脚，运算放大器IC1的反向输入端以及负反馈光敏二极管PD1的阴极相连；限流电阻R5的一脚分别与反馈电容C4的二脚以及运算放大器IC1的六脚相连；限流电阻R5的二脚接LED阴极，LED阳极接VDD；光敏二极管PD2的阴极与运算放大器IC2的二脚，R6的一脚以及C5的一脚相连；IC2的输出端分别与R6的二脚，C5的二脚，C6的一脚以及C7的一脚相连；PD1的同向输入端以及PD1的阳极接GND1；LED的阳极接电源VDD；IC1、IC2的七脚与电源VCC+相连；IC1、IC2的四脚与电源VCC-相连；IC2的同向输入端、PD2的阳极以及C6、C7的二脚均与GND2相连，IC2的输出端与单片机的A/D转换模拟量输入引脚相连。

9.根据权利要求1所述的具有线性隔离特性的模数转换电路，其特征在于，所述的A/D转换模块的输入端分别与L1、C8的一端相连；L1的二脚分别接C10、R7的一脚相连；C10的二脚接电感L2和电阻R8的一脚；L2的二脚接C9的一脚；R7的二脚分别与A/D转换芯片的五脚以及C11的一脚相连；C11的二脚分别与U1的六角以及R8的二脚相连；C8、C9的二脚，A/D转换芯片U1的SDI、EXT、CS、VREF-均接GND；VREF+接电源VCC1。