一種脈衝發生控制電路、脈衝發生器及其電壓測量電路的製作方法

2023-10-18 07:54:54 4

專利名稱：一種脈衝發生控制電路、脈衝發生器及其電壓測量電路的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電學中的電壓測量領域，具體涉及一種脈衝發生控制電路、脈衝發生器以及包含該脈衝發生器的電壓測量電路。
背景技術：
在電學領域中，測量電壓的電路有很多種。常用的電壓測量電路有以下幾種I.利用運算放大器電路進行電壓測量，如圖I所示。這種電路利用運算放大器虛短、虛斷的原理測量待測電壓，通過A/D採樣的形式得到具體電壓值。這種電路的缺點是結構複雜，耗能大，所產生的噪聲更是不容忽視，為降低噪聲，工程師往往需要設計一系列的噪聲抑制電路，這就自然增加了產品的設計與生產成本，也降低了可靠性。 2.利用精密電阻分壓法測量待測電壓。根據電阻分壓原理，通過測量電阻上的分壓電壓值反推待測電壓值，這種測量電壓的電路對分壓用的電阻的阻值精度要求很高，只有在分壓電阻阻值精度極高的情況下待測電壓值才能被準確地測量，同時此電路也需要A/D轉換晶片來採集電壓值，增加了電路成本。3.由555定時器和電阻器、電容器組成的無穩態多諧振蕩器及衰減電阻等組成，作為電壓-頻率轉換器，通過測量輸出的脈衝頻率達到測量輸入電壓的目的。可測量O 5V的直流電壓。此電路可測量的電壓範圍太小，難以滿足大電壓測量的要求，且成本較高。

實用新型內容為了克服現有技術的上述缺陷，本實用新型的目的之一在於提出一種用於防止三極體在二次擊穿過程中損壞的脈衝發生控制電路，該控制電路具有控制精度高，結構簡單，低功耗等優點。一種脈衝發生控制電路，其包括電壓檢測子單元、延時子單元和控制信號輸出子單元，所述電壓檢測子單元包括分壓電阻，所述延時子單元包括定時器，所述控制信號輸出子單元包括控制邏輯電路；所述延時子單元根據電壓檢測子單元所發出的延時信號進行延時處理，並使控制信號輸出子單元啟動，所述控制信號輸出子單元輸出控制信號來中斷三極體的二次擊穿。進一步地，所述電壓檢測子單元中預置有三極體的二次擊穿電壓值，當檢測到電壓檢測子單元的輸入電壓達到三極體的二次擊穿電壓值時，便輸出延時信號。本實用新型的另一目的在於提出一種測量精度高，結構簡單，低功耗，成本低廉的脈衝發生器，該脈衝發生器除了包括上述脈衝發生控制電路外，還包括整流電路、儲能與保護電路、脈衝發生與限流電路和脈衝輸出電路；待測交流電壓通過電容器C施加於整流電路上，該交流電經整流電路整流成直流電後，通過儲能與保護電路對直流電進行電能存儲並輸出直流電；所述脈衝發生與限流電路根據脈衝發生控制電路所產生的用於中斷三極體二次擊穿的控制信號，將輸出的直流電轉化成脈衝信號；最後通過脈衝輸出電路產生一個輸出脈衝信號。[0010]進一步地，所述脈衝輸出電路的輸出端連接一光耦，經由所述脈衝輸出電路輸出的脈衝信號先經過光耦進行光耦隔離後，再產生脈衝信號輸出。進一步地,所述整流電路採用整流橋。進一步地，所述儲能與保護電路採用電容器Cl，對電容器Cl進行充電，並將該電容器Cl上的電壓直接作用於MOS管的漏極上，當三極體Ql發生二次擊穿時，電容器Cl電壓迅速降低以保護三極體。進一步地，所述脈衝發生與限流電路包括MOS管和電阻器R3，所述MOS管包括和儲能與保護電路相連的漏極、與三極體集電極相連的源極以及與電阻器R3相連的柵極。進一步地，所述脈衝輸出電路包括三極體、與三極體的基極相連接的電阻器Rl和與三極體的發射極相連的支路，該支路包括相互串聯的電阻器R2和穩壓管。 本實用新型的再一目的在於提出一種基於三極體二次擊穿特性的電壓測量電路，該電壓測量電路包括上面所述的脈衝發生器和電壓測量單元，所述電壓測量單元與脈衝發生器的輸出級相連，並通過脈衝發生器的輸出脈衝信號來獲得輸入電壓信號的電壓值。進一步地，所述電壓測量單元包括中央處理器。進一步地，所述電壓測量單元與脈衝發生器中脈衝輸出電路的輸出級相連。本實用新型可以解決現有技術中電壓測量電路的成本高、設計複雜、可靠性不高等缺點，提出一種結構簡單、成本低、可靠性高的脈衝發生器，主要是利用三極體的二次擊穿特性進行脈衝發生。本實用新型的有益效果是該脈衝發生控制電路以及包含該控制電路的脈衝發生器具有測量精度高，結構簡單，可靠性高，低功耗，低成本等優點；此外，該脈衝發生器擴展升級方便，直接在該脈衝發生器後加入一電壓測量單元即可形成一電壓測量電路，該電壓測量電路及其測量方法可以應用於電壓幅值在幾十伏至上百伏範圍的電壓信號測量，具有測量範圍廣，測量精度高，簡單可靠，操作使用方便等優點。

圖I是現有技術利用運算放大器測量電壓的電路原理圖；圖2是本實用新型脈衝發生器的結構框圖；圖3是本實用新型脈衝發生器的原理圖；圖4是脈衝發生控制電路的結構原理圖；圖5是電壓測量電路的結構框圖；圖6是待測電壓輸入與測量脈衝輸出的波形示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的脈衝發生器做進一步的詳細說明。與現有技術中的各種電壓測量方法不同，本實用新型提出了一種利用三極體的二次擊穿特性構造的脈衝發生器，來實現電壓輸入信號向脈衝輸出信號的轉換，進而利用輸出的脈衝來進行輸入電壓測量。基於上述思路構造的脈衝發生器具有測量精度高，結構簡單，低功耗，低成本等諸多優點。為便於理解本實用新型的技術構思，以下簡要描述三極體的擊穿特性。[0028]三極體的擊穿分為一次擊穿和二次擊穿。以NPN型三極體為例，當NPN型三極體的集電極和發射極之間的電壓逐漸增大到一定數值時，集電極電流急劇上升，發生雪崩擊穿。由於在整個過程中這次擊穿是第一次發生的擊穿，故也被稱為一次擊穿。隨著集電極和發射極之間電壓的繼續增大，集電極電流增大到某一臨界值時，集電極和發射極兩端的電壓在一次擊穿時的電壓的基礎上急劇減小，電流急劇增大，發生二次擊穿。通常認為三極體的二次擊穿是不可逆的，可能會造成器件的永久性損壞。即集電極和發射極之間電壓高於二次擊穿電壓時，集電極和發射極之間電壓突然減小，集電極電流急劇增大，導致三極體的不可恢復的、永久性的損壞(以2N4922為例，集電極、發射極間電壓不大於25V，電流不大於1A，二次擊穿時間不超過5ms，則2N4922不會發生損壞)。在大部分情況下，二次擊穿對三極體是有害的，但如果我們能夠把發生二次擊穿的程度控制在不使三極體失效或不對其造成損傷的水平，則它不僅是無害的，還能為我們所用。本實用新型正是巧妙地利用了三極體的二次擊穿現象，通過對三極體的二次擊穿進行適當控制，在確保不使三極體失效或損壞的前提下，利用三極體的二次擊穿特性構造了一種脈衝發生器。該電路可用來實現電壓信號向脈衝信號的轉換。 圖2示出了本實用新型的脈衝發生器的結構框圖，該脈衝發生器可包括下述五部分I)整流電路，其作用是將交流電壓Uac整流轉化成直流電；該電路可採用圖3中的整流橋D1，輸入電壓信號Uac通過電容器C施加於整流橋Dl上，並通過該整流橋將交流電Uac轉化為直流電。2)儲能與保護電路，其作用是存儲電能及保護後級電路(即脈衝發生與限流電路)；該電路可採用圖3中的電容器Cl，對電容器Cl進行充電，並將該電容器上的電壓直接作用於MOS管的漏極上。3)脈衝發生與限流電路，其作用是把儲能與保護電路輸出的直流電轉化成脈衝信號，並將電流限制在適當範圍內；該電路可採用MOS管Q2和電阻器R3，其中MOS管的作用是將直流電轉化為脈衝信號，電阻器的作用是對直流電進行限流。4)脈衝發生控制電路，其作用是產生控制MOS管導通、關斷的控制信號，達到保護三極體在二次擊穿過程中不受到損壞的目的。該脈衝發生控制電路包括電壓檢測子單元、延時子單元和控制信號輸出子單元三個部分。5)脈衝輸出電路，其作用是輸出脈衝信號；該電路可包括三極體Q1、與三極體Ql的基極相連接的電阻器Rl和與三極體Ql的發射極相連的由電阻器R2和穩壓管構成的串聯支路。優選地，該脈衝輸出電路輸出的脈衝信號先通過光耦合器進行光耦隔離後，再產生一個脈衝信號輸出。圖3示出了根據圖2的結構框圖構造的脈衝發生器的一個實施例。需注意的是，該圖中未體現具體的脈衝發生控制電路的電路原理，脈衝發生控制電路的具體實現將在圖4中作進一步闡述。該脈衝發生器的原理為待測電壓信號通過電容器C施加在整流橋Dl上，經整流橋Dl整流後，對電容器Cl進行充電，電容器Cl上的電壓直接作用於MOS管Q2的漏極。此時，控制信號CON為低電平，MOS管Q2處於導通狀態，當電容器Cl持續充電，電壓值達到Ql的一次擊穿電壓時，Ql發生一次擊穿，電容器Cl繼續充電，電壓值達到Ql的二次擊穿電壓時，Ql發生二次擊穿，脈衝發生控制電路延時一定時間後立即控制CON信號為高電平，斷開Q2，使Ql 二次擊穿中斷(由圖4的脈衝發生控制電路實現)，此時一個脈衝輸出完成。一定時間後電容器Cl上電荷基本洩放為O，所以Cl兩端電壓急劇下降至基本為O伏(只要電路各器件參數選取合適，Cl兩端的電壓完全可以基本下降至O伏)。Q2斷開之後，CON信號為低電平，Q2導通，電容器Cl繼續充電，直至Ql再次發生一次和二次擊穿，如此往復。施加在電容器C上的不同電壓值，對應不同頻率脈衝的輸出，從而達到測量電壓的目的。圖3中各部件的連接關係為電容器C將交流電直接施加在整流橋Dl上，整流橋 Dl的一端與電容器Cl相連、另一端接地。MOS管具有漏極、源極和柵極其漏極與電容器Cl的一端連接、電容器Cl的另一端接地；其源極與三極體Ql的集電極相連；其柵極與用於對直流電進行限流的電阻器R3的一端連接、電阻器R3另一端連接控制信號輸出子單元的輸出端(CON)。三極體具有集電極、基極和發射極其集電極上的電壓VC作為脈衝發生控制電路的輸入電壓且該集電極與MOS管的源極相連；其基極與偏置電阻器Rl的一端連接、偏置電阻器Rl的另一端接地；其發射極與電阻器R2和穩壓管D3構成的支路進行串聯、穩壓管的另一端接地，穩壓管D3兩端輸出的脈衝信號先經過光耦Ul進行光耦隔離之後，再產生一個脈衝信號輸出。圖4示出了脈衝發生控制電路的結構原理圖。下面對脈衝發生控制電路作進一步的詳細說明，如圖4所示，脈衝發生控制電路可由電壓檢測子單元、延時子單元和控制信號輸出子單元三個部分組成，電壓檢測子單元由精密分壓電阻構成，延時子單元由定時器構成，輸出信號輸出子單元由控制邏輯電路組成。該脈衝發生控制電路可以單獨作為一種用於防止三極體在二次擊穿過程中損壞的控制電路進行應用。該脈衝發生控制電路的原理為電壓檢測子單元接收加在圖3三極體Ql集電極上的電壓VC作為其輸入電壓VC，並對其進行檢測，當檢測到輸入電壓達到預先存儲的三極體Ql的二次擊穿電壓時，輸出使延時子單兀延時一定時間的信號，延時子單兀接收到該信號後，延時一定時間後啟動控制信號輸出子單元，通過該控制信號輸出子單元輸出控制MOS管Q2的控制信號C0N，從而斷開Q2，中斷Ql的二次擊穿，以防止Ql燒毀。其中，圖4中電壓檢測子單元預先存儲有三極體的二次擊穿電壓，當檢測到電壓檢測子單元的輸入電壓VC達到三極體Ql的二次擊穿電壓時，便輸出延時信號。具有上述結構的脈衝發生控制電路可單獨作為一種防止三極體在二次擊穿過程中損壞的控制電路進行應用，該控制電路是控制三極體二次擊穿的控制、保護核心電路。圖5示出了一種根據本實用新型的脈衝發生器進一步構造而成的電壓測量電路，其具體結構是在具有上述結構的脈衝發生器(如圖2所示)加入預置有輸出脈衝信號與輸入電壓信號對應關係的電壓測量單元。脈衝發生器包括整流電路、儲能與保護電路、脈衝發生與限流電路、脈衝發生控制電路和脈衝輸出電路；該電壓測量電路通過脈衝發生控制電路控制三極體Ql的二次擊穿程度，保證三極體Ql不會因為二次擊穿損壞；電壓測量單元與脈衝輸出電路的輸出級相連，電壓測量單元獲得脈衝發生器輸出的脈衝信號，通過計算，即可獲得待測電壓的電壓值，從而實現電壓測量。該電壓測量單元可採用中央處理器，中央處理器中預存有輸出脈衝信號與輸入電壓信號的對應關係U = K*t，其中，U為脈衝間隔時間t所對應的電壓值；κ為斜率；t為脈衝間隔時間；設定t位於兩個脈衝間隔時間Ti和Ti+1之間，兩個脈衝間隔時間所對應的電壓值為 Vi 和 Yi+1, Wl K = (Vw-Vi) / (Ti-Tw)。本實用新型中電壓測量電路的測量方法，包括如下步驟步驟一，通過電容器C輸入待測交流電壓；步驟二，通過整流電路，將交流電壓Uac整流轉化成直流電；步驟三，通過儲能與保護電路，對直流電進行電能存儲並輸出直流電；步驟四，通過脈衝發生控制電路，產生控制MOS管導通、關斷的控制信號，從而控制脈衝發生與限流電路將直流電轉化成脈衝信號，並將三極體上的二次擊穿電壓控制在發生二次擊穿但可逆的範圍內；步驟五，通過脈衝輸出電路，產生輸出脈衝信號；·步驟六，通過電壓測量單元，利用多點校準法對待測電壓進行測量。其中，以下為對各步驟的優選說明例如步驟三中，對電容器Cl進行充電，將電容器Cl上直流電壓輸出並作用於MOS管的漏極上。步驟四中，當電容器Cl持續充電，將電容器Cl兩端的電壓與預先存儲的三極體Ql二次擊穿電壓相比較，當電容器Cl兩端的電壓達到二次擊穿電壓時，進行延時處理，脈衝發生控制電路控制延時一定時間後立即控制MOS管Q2的控制信號CON為高電平，斷開MOS管Q2，使三極體Ql的二次擊穿中斷，即將三極體Ql的二次擊穿電壓控制在可逆範圍內。步驟四中，測量預先存儲的三極體Ql 二次擊穿電壓的方法可以包括向電容器Cl緩慢充電，並測量三極體Ql集電極上的電壓VC，當發生電壓VC急劇減小並最終恢復的現象時，則認為該三極體Ql發生二次擊穿；記錄擊穿前的電壓值，該電壓值即為三極體Ql的二次擊穿電壓。步驟五中，可先將產生的脈衝信號通過光耦隔離後，再對脈衝信號進行輸出。不同的待測電壓輸入對應不同時間間隔的脈衝輸出。輸出脈衝頻率與待測電壓輸入呈一定的線性關係，該線性關係要預先根據嚴格的測量得到。步驟六中，為了提高電壓的測量範圍及測量精度，可以運用分段測量的多點校準法實現對電壓的測量。具體步驟如下6-1)逐級升高受測電壓，記錄對應每一級電壓的脈衝時間間隔，當受測電壓為升序時，相對應的脈衝時間間隔為降序；執行多次測量後，通過計算平均值得到一組電壓值和對應的一組脈衝間隔時間；去掉其它誤差較大的記錄值，只保留兩組數據中線性區間所對
應的記錄值，最後得到一組等間距升序電壓值(y0、V1.......\、\+1......vn)和對應的一
組降序脈衝間隔時間(U1.......H1......τη)，將兩組數據存入中央處理器(即電壓
測量單元)中；6-2)當輸入某一電壓時，中央處理器便捕獲該電壓值所對應的脈衝間隔時間，記為t ；6-3)判斷脈衝間隔時間t所處的位置，為了便於說明，本例設定t處於Ti和Ti+1之間；6-4)將降序脈衝間隔時間與升序電壓值之間的關係視為線性關係，求出斜率K =(Vw-Vi)Z(Ti-Tw)；6-5)通過公式U = K*t計算，得到脈衝間隔時間t所對應的電壓值U，即獲得待測電壓的電壓值。通過預先獲得的電壓輸入與輸出脈衝的間隔時間的關係，對應不同的待測電壓輸入，可輸出間隔時間不同的一列脈衝，從而可以進行電壓測量。圖6示意性的顯示出圖I中電路的待測電壓輸入分別為Ul，U2時對應的兩個測量脈衝輸出。本發明還提出了一種特殊的測量三極體二次擊穿電壓的方法，具體步驟為，將上面所述的脈衝發生電路中的三極體替換成需要測量二次擊穿電壓的待測三極體；向電容器Cl緩慢充電，並測量待測三極體集電極上的電壓VC，當發生電壓VC急劇減小並最終恢復的現象時，則認為該待測三極體發生二次擊穿；記錄擊穿前的電壓值，該電壓值即為待測三極體的二次擊穿電壓。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本實用新型的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
權利要求1.一種脈衝發生控制電路，其特徵在於所述控制電路包括電壓檢測子單元、延時子單元和控制信號輸出子單元，其中 所述電壓檢測子單元包括分壓電阻，所述延時子單元包括定時器，所述控制信號輸出子單元包括控制邏輯電路；所述延時子單元根據電壓檢測子單元所發出的延時信號進行延時處理，並使控制信號輸出子單元啟動，所述控制信號輸出子單元輸出控制信號來中斷三極體的二次擊穿。
2.如權利要求I所述的脈衝發生控制電路，其特徵在於所述電壓檢測子單元中預置有三極體的二次擊穿電壓值，當檢測到電壓檢測子單元的輸入電壓達到三極體的二次擊穿電壓值時，便輸出延時信號。
3.一種具有權利要求I所述的脈衝發生控制電路的脈衝發生器，其特徵在於該脈衝發生器包括整流電路、儲能與保護電路、脈衝發生與限流電路、脈衝發生控制電路和脈衝輸出電路；待測交流電壓通過電容器C施加於整流電路上，該交流電經整流電路整流成直流電後，通過儲能與保護電路對直流電進行電能存儲並輸出直流電；所述脈衝發生與限流電路根據脈衝發生控制電路所產生的用於中斷三極體二次擊穿的控制信號，將輸出的直流電轉化成脈衝信號；最後通過脈衝輸出電路產生一個輸出脈衝信號。
4.如權利要求3所述的脈衝發生器，其特徵在於所述脈衝輸出電路的輸出端連接一光耦，經由所述脈衝輸出電路輸出的脈衝信號先經過光耦進行光耦隔離後，再產生脈衝信號輸出。
5.如權利要求3或4所述的脈衝發生器，其特徵在於所述整流電路採用整流橋。
6.如權利要求3或4所述的脈衝發生器，其特徵在於所述儲能與保護電路採用電容器Cl，對電容器Cl進行充電，並將該電容器Cl上的電壓直接作用於MOS管的漏極上，當三極體Ql發生二次擊穿時，電容器Cl電壓迅速降低以保護三極體。
7.如權利要求3或4所述的脈衝發生器，其特徵在於所述脈衝發生與限流電路包括MOS管和電阻器R3，所述MOS管包括和儲能與保護電路相連的漏極、與三極體集電極相連的源極以及與電阻器R3相連的柵極。
8.如權利要求3或4所述的脈衝發生器，其特徵在於所述脈衝輸出電路包括三極體、與三極體的基極相連接的電阻器Rl和與三極體的發射極相連的支路，該支路包括相互串聯的電阻器R2和穩壓管。
9.一種電壓測量電路，其特徵在於包括如權利要求3所述的脈衝發生器和電壓測量單元，所述電壓測量單元與脈衝發生器的輸出級相連，並通過脈衝發生器的輸出脈衝信號來獲得輸入電壓信號的電壓值。
10.如權利要求9所述的電壓測量電路，其特徵在於所述電壓測量單元包括中央處理器。
11.如權利要求9所述的電壓測量電路，其特徵在於所述電壓測量單元與脈衝發生器中脈衝輸出電路的輸出級相連。
專利摘要本實用新型涉及一種脈衝發生控制電路、脈衝發生器及一種電壓測量電路，其中，脈衝發生器包括整流電路，用於將輸入電壓信號由交流電轉化為直流電；儲能與保護電路，用於存儲電能並輸出直流電；脈衝發生與限流電路，用於將直流電轉化為脈衝信號，並對直流電進行限流；脈衝發生控制電路，用於產生控制MOS管導通、關斷的控制信號；和脈衝輸出電路，用於產生輸出脈衝信號。該脈衝發生器結構簡單，可靠性高，成本低；此外，直接在該脈衝發生器後加入一電壓測量單元即可形成一電壓測量電路，該電壓測量電路及其測量方法可以應用於電壓幅值在幾十伏至上百伏範圍的電壓信號測量，具有測量範圍廣，簡單可靠，操作使用方便等優點。
文檔編號H03K3/02GK202421319SQ20112051397
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者張卓, 楊立新, 趙羨龍, 郭增橋 申請人:中國電力科學研究院