一種高壓信號隔離傳輸系統的制作方法

一種高壓信號隔離傳輸系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高壓信號隔離傳輸系統，包括電壓偏置模塊、電壓頻率轉化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉換模塊、有源濾波模塊以及偏置復原模塊；所述電壓偏置模塊用于對輸入信號施加偏置電壓，獲得第一電壓信號；所述電壓頻率轉化模塊用于將第一電壓信號轉換為頻率信號，所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所述頻率信號，所述頻率電壓轉換模塊用于將所述頻率信號轉換為第二電壓信號，所述有源濾波模塊用于濾除所述第二電壓信號中的鋸齒波噪聲，將其還原；所述偏置復原模塊用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號中移除偏置電壓。本發明的高壓信號隔離傳輸系統，信號還原效果好，精度高，信號延時低，成本低，滿足大多數高壓信號的隔離傳輸要求。
【專利說明】
一種高壓信號隔離傳輸系統
技術領域
[0001] 本發明屬于高壓隔離領域，更具體地，涉及一種高壓信號隔離傳輸系統。
【背景技術】
[0002] 電子回旋共振加熱（Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系統可用于 等離子體的加熱。整個ECRH系統是處于-80kV的高壓平臺上，最小隔離度要求是100kV，一些 參數不變的電源連接可以通過隔離變實現高壓隔離。然而，即使是高壓線性隔離光耦，其隔 離度最多也只能做到幾十個千伏，因此基于控制信號和采樣信號的隔離傳輸，分離式的光 電隔離手段必不可少。此外，采樣信號也需要在幾百微秒之內實現信息傳輸，最大延時都不 能超過lms，要求高的采樣信號時間甚至小于0.2ms。
[0003] 而現有的一些光電隔離手段雖然有不少，但如TC9401等轉換芯片難以到響應時間 的要求。同時，在頻率電壓的轉換過程中，由于頻率電壓轉換芯片本身性質，電壓模擬信號 容易產生鋸齒噪聲，鋸齒波頻率與F-V時的轉換頻率一致，未濾波之前的幅值最大幾百毫 伏。當輸入信號很小時(V IN = 0.1V)，對應轉換頻率較低(如選用40kHz/1V的比率，則0.1V對 應的頻率f$4kHz)，此時f〈fQ，鋸齒噪聲分量無法濾掉。因此在信號復原時，電壓模擬信號 除了幅值與原信號一致的基波之外，還夾雜著圍繞基波擾動的鋸齒波。在小于0.2V小信號 傳輸或者穩定度要求高的場合下，電壓模擬信號難以穩定的得到還原。此外，由于直接選用 發光二極管和光電二極管較難匹配，封裝不易，和光纖的連接實現也不方便，綜上所述，當 前的模擬電路隔離方案難以滿足延遲低、精度高和還原性好的要求。

【發明內容】

[0004] 針對現有技術中不能實現小信號傳輸以及穩定性不好的缺陷，本發明的目的在于 解決以上技術問題。
[0005] 為實現上述目的，本發明提供了一種高壓信號隔離傳輸系統，所述高壓信號隔離 傳輸系統包括電壓偏置模塊、電壓頻率轉化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉換模塊、有 源濾波模塊以及偏置復原模塊；
[0006] 所述電壓偏置模塊的輸出端連接所述電壓頻率轉化模塊的輸入端，所述電壓頻率 轉化模塊的輸出端連接所述電隔離傳輸模塊的輸入端，所述電隔離傳輸模塊的輸出端連接 所述頻率電壓轉換模塊的輸入端，所述頻率電壓轉換模塊的輸出端連接所述有源濾波模塊 的輸入端，所述有源濾波模塊的輸出端連接所述偏置復原模塊的輸入端，所述偏置復原模 塊的輸出端作為所述隔離傳輸系統的輸出端；
[0007] 所述電壓偏置模塊用于對輸入信號施加偏置電壓，獲得第一電壓信號;所述電壓 頻率轉化模塊用于將第一電壓信號轉換為頻率信號，所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所 述頻率信號，所述頻率電壓轉換模塊用于將所述頻率信號轉換為第二電壓信號，所述有源 濾波模塊用于濾除所述第二電壓信號中的鋸齒波噪聲，將其還原為第一電壓信號;所述偏 置復原模塊用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號中移除偏置電壓，完成所述高壓 信號的隔離傳輸。
[0008] 優選地，所述偏置電壓的大小為1.7 5 V~5 V。
[0009] 優選地，所述高壓信號隔離傳輸系統還包括信號歸一化模塊，所述信號歸一化模 塊設置于所述電壓偏置模塊的前端，其輸入端作為所述隔離傳輸系統的輸入端，輸出端連 接所述電壓偏置模塊的輸入端，用于將電壓信號調整至工作區間并輸出，所述歸一化模塊 為衰減電路或者放大電路。
[0010] 優選地，所述電壓偏置模塊包括第一電壓基準單元以及偏置加壓單元，所述第一 電壓基準單元的輸出端連接所述偏置加壓單元的第一輸入端，所述偏置加壓單元的的第二 輸入端作為所述電壓偏置模塊的輸入端，輸出端作為所述電壓偏置模塊的輸出端;所述第 一電壓基準單元用于提供波動小于2mV的穩定的偏置電壓;所述偏置加壓單元用于將所述 偏置電壓施加于電壓信號，獲得第一電壓信號。
[0011] 優選地，所述偏置復原模塊包括第二電壓基準單元以及偏置移除單元，所述第二 電壓基準單元的輸出端連接所述偏置移除單元的第一輸入端，用于提供波動小于2mV的穩 定的偏置電壓;所述偏置移除單元的第二輸入端作為所述偏置復原模塊的輸入端，所述偏 置移除單元的輸出端作為所述偏置復原模塊的輸出端，用于從所述有源濾波模塊還原的第 一電壓信號中移除偏置電壓并輸出。
[0012] 優選地，所述電壓頻率轉化模塊將所述第一電壓信號轉換為頻率信號的轉換率為 lV/20kHz~lV/50kHz。
[0013]優選地，所述電隔離傳輸模塊包括光電轉換模塊以及電光轉換模塊，所述光電轉 換模塊的輸入端作為所述電光轉換模塊的輸入端，所述光電轉換模塊的輸出端與所述電光 轉換模塊的輸入端之間通過光纖連接，所述電光轉換模塊的輸出端作為所述電光轉換模塊 的輸出端;所述光電轉換模塊用于將頻率信號轉化為光信號，所述電光轉換模塊用于將光 信號還原為頻率信號。
[0014] 優選地，所述第一電壓信號與所述第二電壓信號的比值為1.58~1:1。
[0015] 優選地，所述有源濾波模塊為二階濾波模塊。
[0016] 優選地，所述有源濾波模塊濾除所述鋸齒波噪聲的截止頻率為6kHz~20kHz。
[0017] 通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，能夠取得以下有益效果：
[0018] 1、本發明的高壓信號隔離傳輸系統的全部模塊為模擬器件，不需要DSP等控制芯 片，無需編程，全過程處理的電壓信號為模擬信號，輸出信號可以直接作用于比較器等CMOS 和TTL電平芯片，也可以直接由示波器探頭采樣來直接觀察到實際電壓；
[0019] 2、本發明通過電壓偏置模塊對電壓信號加入偏置電壓，偏置電壓對應的轉換頻率 在100kHz左右，可以通過濾波處理將頻率電壓轉換芯片產生的鋸齒噪聲濾掉，噪聲衰減可 達40dB以上，再經過后續移除偏置電壓，可將小信號很好的還原出來，經驗證對于小于0.2V 的小信號有很好的還原效果；電壓偏置模塊、有源濾波模塊以及偏置復原模塊的工作之間 相互獨立，并與中間環節的電壓頻率轉化模塊、電隔離傳輸模塊以及頻率電壓轉換模塊共 同配合完成高壓信號的隔離傳輸；
[0020] 3、本發明的高壓信號隔離傳輸系統能實現高壓模擬信號的實時傳輸，經驗證，高 壓模擬信號傳輸的精度超過99.5%，且對高壓模擬信號大小和波形均具有較好的還原效 果，即使在選用l〇〇m的光纖時，信號延時仍低于150沾，完全可以隔離100kV以上的電壓，遠 優于設計繁瑣穩定性不足的高壓線性光耦，能滿足大多數高壓信號的隔離傳輸要求；
[0021] 4、本發明的高壓信號隔離傳輸系統通過有源濾波模塊進行濾波，效果優于簡單的 RC濾波器，同時該發明作為一種通用的高壓信號隔離傳輸方案，可廣泛應用于電氣相關領 域；
[0022] 5、本發明的高壓信號隔離傳輸系統為模塊化設計、結構簡單，便于工業化大批量 生產。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明高壓信號隔離傳輸系統圖；
[0024] 圖2是本發明實施例1的信號歸一化模塊結構示意圖；
[0025] 圖3為本發明實施例1的電壓偏置模塊結構示意圖；
[0026] 圖4為本發明實施例1的電壓頻率轉化模塊結構示意圖；
[0027] 圖5為本發明實施例1的電隔離傳輸模塊結構示意圖；
[0028] 圖6為本發明實施例1的頻率電壓轉換模塊結構示意圖；
[0029] 圖7為本發明實施例1的有源濾波模塊結構示意圖；
[0030] 圖8為本發明實施例1的偏置復原模塊結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0032] 本發明提供了一種高壓信號隔離傳輸系統，所述高壓信號隔離傳輸系統包括電壓 偏置模塊、電壓頻率轉化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉換模塊、有源濾波模塊以及偏 置復原模塊等，如圖1所示；
[0033] 所述電壓偏置模塊的輸入端作為所述隔離傳輸系統的輸入端，輸出端連接所述電 壓頻率轉化模塊的輸入端，用于對電壓信號施加的偏置電壓，獲得第一電壓信號并輸出；施 加的偏置電壓的幅度與前端輸入的電壓信號、后端電壓頻率轉化模塊的轉換率以及有源濾 波模塊的截止頻率f〇都有關，由于電壓頻率轉化模塊的轉換率一般為1V/40KHZ，有源濾波 模塊的截止頻率f〇為7KHz，為了保證信號傳輸的精準，偏置電壓需要大于10倍fo X電壓頻率 轉化模塊的轉換率，偏置電壓需要大于1.75V;同時，由于前端輸入的電壓信號為0V~5V，偏 置電壓通常小于5V;
[0034] 所述電壓偏置模塊包括第一電壓基準單元以及偏置加壓單元，所述第一電壓基準 單元的輸出端連接所述偏置加壓單元的第一輸入端;所述偏置加壓單元的第二輸入端作為 所述電壓偏置模塊的輸入端，所述偏置加壓單元的輸出端作為所述電壓偏置模塊的輸出 端;所述第一電壓基準單元通常采用一電壓基準芯片，用于提供波動小于2mV穩定的偏置電 壓，以保證在高壓信號經過偏置電壓的施加，以及后續的移除，能保持較高的精度，所述電 壓偏置模塊用于將所述偏置電壓施加于電壓信號，獲得第一電壓信號并輸出；
[0035] 所述電壓頻率轉化模塊的輸出端連接所述電隔離傳輸模塊的輸入端，用于將第一 電壓信號轉換為頻率信號并輸出；為了兼顧延時和濾波效果，通常轉換率為lV/20kHz~IV/ 50kHz，當取lV/20kHz時，濾波效果更優，當取lV/50kHz時，延時效果更優；
[0036] 所述電隔離傳輸模塊包括光電轉換模塊以及電光轉換模塊，所述電隔離傳輸模塊 包括光電轉換模塊以及電光轉換模塊，所述光電轉換模塊的輸入端作為所述電光轉換模塊 的輸入端，所述光電轉換模塊的輸出端與所述電光轉換模塊的輸入端之間通過光纖連接， 用于將帶有頻率信號轉化為光信號并輸出；所述電光轉換模塊的輸出端作為所述電光轉換 模塊的輸出端連接所述頻率電壓轉換模塊的輸入端，用于將光信號還原為頻率信號并輸 出；所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所述頻率信號;光纖的長度則根據所需傳輸的電壓 大小而定，通常光纖越長，隔離效果越好，但信號的延時會變長;本發明的電隔離傳輸模塊 在選用100m的光纖時，信號延時仍小150ys，因此可隔離高達100kV以上的電壓；
[0037] 所述頻率電壓轉換模塊的輸出端連接所述有源濾波模塊的輸入端，用于將所述頻 率信號轉化成第二電壓信號并輸出，第二電壓信號和第一電壓信號可相同或不同，當兩者 相同時，有源濾波模塊只需要起到濾波作用即可，當兩者不同時，兩者產生的差異可由有源 濾波模塊對第二電壓信號進行放大還原為第一電壓信號，由于頻率電壓的轉換率和電壓頻 率的轉換率之間相差不能超過1.58,因此通常第一電壓信號與所述第二電壓信號的比值為 1.58 ~1:1;
[0038] 所述有源濾波模塊的輸出端連接所述偏置復原模塊的輸入端，用于濾除所述第二 電壓信號中的鋸齒波噪聲，同時將其放大還原為第一電壓信號并輸出，（但當第二電壓信號 與第一電壓信號完全相同時，則只需單純濾波，而無需經過還原步驟)所述有源濾波模塊優 選為二階濾波模塊，其截止頻率設置可根據電壓頻率轉換比率以及所施加的偏置電壓大小 來定，綜合上面兩個因素，截止頻率的范圍一般在6kHz~20kHz，可以實現鋸齒波噪聲十倍 頻程-40dB衰減而基準波不受影響的效果；
[0039]所述偏置復原模塊通常包括第二電壓基準單元以及偏置移除單元，所述偏置復原 模塊包括第二電壓基準單元以及偏置移除單元，所述第二電壓基準單元的輸出端連接所述 偏置移除單元的第一輸入端;所述偏置移除單元的第二輸入端作為所述偏置復原模塊的輸 入端，所述偏置移除單元的輸出端作為所述偏置復原模塊的輸出端;所述第二電壓基準單 元可采用和第一電壓基準單元相同的電壓基準芯片，用于提供和第一電壓基準單元相同的 穩定的偏置電壓，所述偏置移除單元用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號中移除 偏置電壓并輸出。
[0040]當所述高壓信號隔離傳輸系統輸入的前端電壓信號需要前端放大或衰減時，該系 統還可以包括信號歸一化模塊，所述信號歸一化模塊設置于所述電壓偏置模塊的前端，其 輸入端作為所述隔離傳輸系統的輸入端，輸出端連接所述電壓偏置模塊的輸入端，用于將 電壓信號調整至工作區間并輸出，所述歸一化模塊為衰減電路或者放大電路，用于將前端 電壓信號放大或衰減至5V~8V左右的信號區間。
[0041 ] 實施例1
[0042]實施例1的高壓信號隔離傳輸系統由信號歸一化模塊、電壓偏置模塊、電壓頻率轉 化模塊、電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉換模塊、有源濾波模塊以及偏置復原模塊依次連接而 成；
[0043]圖2為實施例1的信號歸一化模塊，該信號歸一化模塊為衰減電路，由Rn、R12、R13、 R14、Ri5和15V供電元件IC1(后續裝置中的IC21、IC22、IC6和IC7均與IC1作用相同）組成;其 中，Ri4 = Ri5 = Rii，
i，該處的衰減主要針對100kV/100V上RC分壓 器輸出低壓側信號(〇~100V);可以看出，Rn的第一端與Ri3的第一端以及IC1的負極共地， R12的第一端與Rn的第二端連接，作為信號歸一化模塊的輸入端，R12的第二端連接R 13的第二 端以及Ri4的第一端;Rn、R12、R13構成了 型衰減電路，在這里，Rn為衰減電路輸入端的輸入 阻抗，衰減器的衰減比率N=10。根據前端分壓器的測試結果，Rn阻值為100kQ，根據31型衰 減電路網絡的電路原理：
QRl4的第二端連接 1C 1的正極以及Rl5的第一端，IC1以及Rl5的第二端連接，共同作為信號歸一化模塊的輸出 端，R14與R15構成一個電壓跟隨器，使衰減后的電壓幅值不再隨著輸出阻抗的變化而波動， 取值令Rl4 = Rl5 = Rll即可。
[0044] 圖3為實施例1的電壓偏置模塊，該電壓偏置模塊由電壓基準單元以及偏置加壓單 元組成，偏置加壓單元包括反向加法器以及電壓反相器，電壓基準單元、反向加法器以及電 壓反相器依次連接：電壓基準單元由5v的電壓通過接口 2和接口 3向Ref 192電壓基準芯片供 電，Ref 192電壓基準芯片接口 2還連接有并聯的10y和O.ly的電容的第一端，并聯的10y和 〇. ly的電容的第二端接地，其中，1 〇y的極性電容用于濾波，使電平更加穩定，〇. ly電容用于 去耦和消除高頻噪聲;Ref 192電壓基準芯片的接口 6同樣連接有并聯的ly和O.ly的電容的 第一端，且作為電壓基準單元的輸出端與反向加法器的第一輸入端連接，并聯的ly和o.ly 的電容的第二端接地，ly的極性電容用于確保芯片輸出性能可靠，o.iy的電容與之并聯，用 于改善電路的暫態特性，得到高穩定度的電壓輸出；該電壓基準單元輸出一個高穩定度的 2.5V電壓，與輸入信號Vin2-起作用于運放；
[0045] 圖3可見，R22的第一端作為所述反向加法器的第二輸入端，并作為所述電壓偏置模 塊輸入端，R21的第一端作為所述反向加法器的第一輸入端，R22和R21的第二端連接IC21的負 極以及R 23的第一端，IC21的正極接地，輸出端連接R23的第二端，且作為反向加法器的輸出 端連接電壓反相器的輸入端，R21、R22、R23將信號電平抬升2.5V并翻轉，輸入輸出方程為
，因而_V〇ut21 = Vin2+2 ? 5，其中Vin2 = V〇utl;
[0046] R24的第一端作為電壓反相器的輸入端，輸出端連接IC22的負極以及R25的第一端， IC22的正極接地，IC22的輸出端與R25的第二端連接，共同作為電壓偏置模塊的輸出端，由于 R24 = R25,從而實現￥。11*2 =，。11*21 = ￥^2+2.5，至此電壓抬升的目的得以實現，零輸入時輸出 電壓為2.5V，對應的轉換頻率為100kHz，有助于后續濾波環節的信號處理。
[0047]圖4為實施例1的電壓頻率轉換模塊，該模塊采用了選擇AD650芯片，正向輸入為V-F電路;芯片的接口 1與接口 3與積分電容CINT并聯，接口 2接地，輸入電阻RIN的第一端為電壓 頻率轉換模塊的輸入端，RIN由兩個串聯的電阻R31、R32組成，R IN的第二端連接接口 3，芯片的 接口 5連接15V電壓源的負極以及0. ly的電容的第一端，0. ly電容的第二端接地;兩個定時 電容Cos和CQS2的第一端共地，第二端通過按鈕開關相互連接，且Cos的第二端連接至接口 6; 接口 13與接口 14與20k的滑動電阻并聯，接口 12與另一0. ly的電容的第一端連接，且同時連 接15V電壓源的負極，該接口還連接有250k電阻的第一端，205k電阻的第二端連接20k的滑 動電阻的滑動端;接口 11連接0. ly的電容的第二端，同時連接模擬地;接口 10連接數字地， 同時連接ly的電容的第一端，ly的電容的二端連接l k電阻的第一端以及5V的電源;接口 9連 接接口 1，接口 8連接lk電阻的第二端且同時作為該電壓頻率轉換模塊的輸出端
[0048]其主要參數選取如下：IIN = VIN3/RIN: t〇s = C〇s X 6.8 X 103sec/F+3.0 X 10-7s。
[0052]在該實施例的電壓頻率轉換模塊中，僅需確定四個外接元件，即輸入電阻Rin、定時 電容Cos、邏輯電阻（即圖4中與5V電壓連接的lk電阻）、積分電gCINT。其中邏輯電阻作為上拉 電阻，應使V-F芯片內部晶體管電流小于8mA，如選用5V邏輯電源，邏輯電阻應不低于5V/8mA = 625 0和Cos決定了滿度頻率和輸入電壓范圍，同時也決定了非線性度的大小，一般說 來，Cos越大，輸入電流越小(RIN越大），非線性越小。積分電容C INT僅決定復位周期電壓的高 低，其參考值按下式選取：
°基于以上的推算，主要參數選擇:Cos 選擇100pF電容，此時輸入電阻Rin大小在26kQ左右，優選的本電路設計中采用了 10kQ電阻 與20kQ電阻串聯方式，方便阻值調節，Cint選擇1000pF電容，Rin選擇1 kQ電阻，轉換比為1V/ 40kHz〇
[0053]圖5為實施例1的電隔離傳輸模塊，該電隔離傳輸模塊由電光(E/0)轉換模塊以及 光電（0/E)轉換模塊組成：依次由邏輯門器件75451、HFBR1414組合芯片、ST接口 62.5/125M1 多模光纖以及HFBR2412組合芯片連接組成;邏輯門器件75451接收fcmt頻率信號，并輸出一 個電平信號，該信號進入發光二極管集成模塊HFBR1414,將高低電平的轉換變成二極管的 亮滅，通過光纖將高頻率的頻率光信號（高頻亮滅對應邏輯電平"高" "低"的變換），右側的 光纖接收器HFBR2412將高頻光信號解調成頻率信號，而我們所需要解調出來的電壓與頻率 是呈線性比例的，這樣就實現了電壓信號的隔離傳輸，考慮到電隔離傳輸模塊對于電子回 旋共振加熱系統相關信號的采集控制的實際要求，我們進行了 E/0轉換模塊以及0/E轉換模 塊的模擬實驗，模擬實驗中選取20m與100m長度光纖。測試結果表不，以20m和100m的光纖連 接時，E/0轉換模塊以及0/E轉換模塊的延時分別小于200ns和600ns，相差的400ns延時是光 在80m光纖傳播產生的延時，輸入1MHz的方波、三角波、正弦波信號能無誤的還原出來，相比 較VF以及FV部分產生的延時，該部分延時甚至可以忽略，綜合判斷，該電隔離傳輸模塊足以 滿足系統需求。
[0054]圖6為實施例1的頻率電壓轉換模塊，其結構與圖4的電壓頻率轉換模塊類似；其 中，接口5、6、11、12、14的連接關系都與電壓頻率轉換模塊相同；電容56(^?的第一端作為信 號的輸入端，第二端連接500 Q電阻的第一端，500電阻的第二端連接接口 9以及二極管 IN914的第一端，二極管的第二端連接數字地;接口9同時還依次通過2k以及500 Q的電阻連 接至5V的電源，接口 8與2k以及500 Q的電阻的中間連接處相連;接口 10與接口 11連接;接口 2接地，而接口 1和接口 3上同時并聯有輸入電阻RIN和積分電容CINT，積分電WCINT由兩個串聯 的電阻R51、R52組成，接口 1作為該頻率電壓轉換模塊的輸出端。
[0055] 由于同樣是選擇AD650芯片，芯片特性與原理與V/F部分一致，只是一個相反的轉 換過程，因此主要參數選擇如下:Cos選擇100pF電容，此時輸入電阻Rin大小在26kQ左右，優 選的本電路設計中采用了l〇kfi電阻與20kfi電阻串聯方式，方便阻值調節。C INT選擇1000pF 電容，Rin選擇lk Q電阻，轉換比為40kHz/IV。
[0056] 圖7為實施例1的有源濾波模塊，R61的第一端作為該有源濾波模塊的輸入端，R61的 第二端連接電容C 61以及R62的第一端，R62的第二端連接IC6的正極以及電容C62的第一端;IC6 的負極連接R以及Rf的第一端，R的第二端與電容C 62的第二端共地，電容C6i的第二端與IC6的 輸出端共同作為有源濾波模塊的輸出端:為了簡化設計，本發明中令R61 = R62 = 10k Q，C61 = C62 = 2.2nF，則對應的截止頻率.
-設置fo為7.2kHz左右，對應100kHz，大于十倍 頻程，鋸齒波衰減-45.6dB。也可以調整濾波參數使fQ= 10kHz，此時鋸齒波衰減為原來的 1 % (-40dB)。回路中的R與Rf可以在濾波同時對信號進而二次放大，能對V-F及F-V模塊的幅 度進行補償，放大系數Av=(R+Rf)/R，需要注意的是
，否則在信號處理過程 中會出現超調，不利于系統功能的實現。由于鋸齒波就隨著基準信號幅度的增加而減小，優 選的在本方案設計中，鋸齒波小于50mV，因此在有源濾波之后，雜散的鋸齒波可以忽略，這 樣經過最終的偏置電壓移除電路處理，輸出信號與原信號就能做到高度一致，精度高于 99.5%。而測量裝置本身的誤差往往都在0.5%~1%之間，所以本發明設計能滿足大多信 號隔離傳輸的要求。
[0057] 圖8為本發明的偏置復原模塊，由電壓基準單元以及偏置移除單元組成，電壓基準 單元跟電壓偏置模塊中的電壓基準單元完全相同，依然使用Ref 192電壓基準芯片，將信號 電平降低2.5V;
[0058] R72的第一端作為偏置移除單元的第二輸入端以及偏置復原模塊的輸入端，用于輸 入前端的電壓信號Vin?，Vi"7 = Vcmt6 ; Rn，R72的輸出端連接IC7的正極以及R73的輸入端;Rn的 第一端作為偏置移除單元的第一輸入端，連接電壓基準單元的輸出端，Rn的第二端連接IC7 的正極以及R?4的第一端;R73的第二端接地，IC7的輸出端以及R 74的第二端作為偏置移除單 元以及偏置復原模塊的輸出端；
[0059] 基于運算放大器，圖中的電阻1?71、1?72、1? 73、1?74-起構成了一個求差電路，通過簡單 的計算得出
>R71 = R72 = R73 = R74，最終得出Vout7 = Vin7-2.5。該偏置復原模塊將前面濾波處理后的信號再次降壓，這樣就完成了抬升電平的移 除工作，如圖7所示。
[0060] 綜上可以看出：本發明的高壓信號隔離傳輸系統可以實現信號的實時隔離傳輸， 成本低，延時短，精度高，隔離電壓大于100kV，保障經電子回旋共振加熱輸入的各模擬采集 信號能實時有效的進入控制器，同時控制器的命令也能有效的傳輸至高壓控制端，設計表 現出眾。
[0061] 本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，包括電壓偏置模塊、電壓頻率轉化模塊、 電隔離傳輸模塊、頻率電壓轉換模塊、有源濾波模塊以及偏置復原模塊； 所述電壓偏置模塊的輸出端連接所述電壓頻率轉化模塊的輸入端，所述電壓頻率轉化 模塊的輸出端連接所述電隔離傳輸模塊的輸入端，所述電隔離傳輸模塊的輸出端連接所述 頻率電壓轉換模塊的輸入端，所述頻率電壓轉換模塊的輸出端連接所述有源濾波模塊的輸 入端，所述有源濾波模塊的輸出端連接所述偏置復原模塊的輸入端，所述偏置復原模塊的 輸出端作為所述隔離傳輸系統的輸出端； 所述電壓偏置模塊用于對輸入信號施加偏置電壓，獲得第一電壓信號；所述電壓頻率 轉化模塊用于將第一電壓信號轉換為頻率信號，所述電隔離傳輸模塊用于隔離傳輸所述頻 率信號，所述頻率電壓轉換模塊用于將所述頻率信號轉換為第二電壓信號，所述有源濾波 模塊用于濾除所述第二電壓信號中的鋸齒波噪聲，將其還原為第一電壓信號;所述偏置復 原模塊用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號中移除偏置電壓，完成所述高壓信號 的隔離傳輸。2. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述偏置電壓的大小為 1.75V~5V。3. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述高壓信號隔離傳輸系 統還包括信號歸一化模塊，所述信號歸一化模塊的輸入端作為所述隔離傳輸系統的輸入 端，輸出端連接所述電壓偏置模塊的輸入端，所述信號歸一化模塊用于將輸入信號調整至 工作區間并輸出。4. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述電壓偏置模塊包括第 一電壓基準單元以及偏置加壓單元，所述第一電壓基準單元的輸出端連接所述偏置加壓單 元的第一輸入端，所述偏置加壓單元的的第二輸入端作為所述電壓偏置模塊的輸入端，輸 出端作為所述電壓偏置模塊的輸出端;所述第一電壓基準單元用于提供穩定的偏置電壓； 所述偏置加壓單元用于將所述偏置電壓施加于電壓信號，獲得第一電壓信號。5. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述偏置復原模塊包括第 二電壓基準單元以及偏置移除單元，所述第二電壓基準單元的輸出端連接所述偏置移除單 元的第一輸入端，所述偏置移除單元的第二輸入端作為所述偏置復原模塊的輸入端，所述 偏置移除單元的輸出端作為所述偏置復原模塊的輸出端;所述第二電壓基準單元用于提供 穩定的偏置電壓;所述偏置移除單元用于從所述有源濾波模塊還原的第一電壓信號中移除 偏置電壓。6. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述電壓頻率轉化模塊將 所述第一電壓信號轉換為頻率信號的轉換率為lV/20kHz~lV/50kHz。7. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述電隔離傳輸模塊包括 光電轉換模塊以及電光轉換模塊，所述光電轉換模塊的輸入端作為所述電光轉換模塊的輸 入端，所述光電轉換模塊的輸出端與所述電光轉換模塊的輸入端之間通過光纖連接，所述 電光轉換模塊的輸出端作為所述電光轉換模塊的輸出端。8. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述第一電壓信號與所述 第二電壓信號的比值為1.58:1~1:1。9. 如權利要求1所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述有源濾波模塊為二階 濾波模塊。10.如權利要求9所述的高壓信號隔離傳輸系統，其特征在于，所述有源濾波模塊濾除 所述鋸齒波噪聲的截止頻率為6kHz~20kHz。
【文檔編號】G01R15/24GK105929215SQ201610238917
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】王之江, 崔芳泰, 夏冬輝, 余振雄, 孫道磊, 肖集雄, 劉昌海, 曾中
【申請人】華中科技大學