本发明专利技术公开了一种基于电容隔离的电压数字转换电路，本发明专利技术通过电压/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。最终还原隔离端的模拟电压信号。最终还原隔离端的模拟电压信号。
【技术实现步骤摘要】
一种基于电容隔离的电压数字转换电路
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
技术实现思路
[0006]本专利技术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。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术包括：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]信号调整电路包括运算放大器Op1和运算放大器Op2；
[0016]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。
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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。
[0022]电容式数字隔离器包括迟滞比较器CMP2和迟滞比较器CMP3；
[0023]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；
[0024]电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10均为直流偏置设置电阻。
[0025]电容C4、电容C5和电容C6均为高压隔离电容器。
[0026]与现有技术相比，本专利技术通过电压/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。本专利技术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，且不随温度和时本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于电容隔离的电压数字转换电路，其特征在于，包括：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；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。2.根据权利要求1所述的一种基于电容隔离的电压数字转换电路，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种基于电容隔离的电压数字转换电路，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的一种基于电容隔离的电压数字转换电路，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的一种基于电容隔离的电压数字转换电路，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的一种基于电容隔离的电压数字转换电路，其特征在于，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘锦，田卫，徐屹东，鱼航，
申请(专利权)人：西安微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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