隔離100KV高精度V/V變換電路的製作方法

2023-06-10 21:19:26

本實用新型涉及一種應用於分析儀器、計算機控制、環境監測、生物醫療等領域中的隔離100KV高精度V/V變換電路。

背景技術：

在高壓電源應用領域中，高壓噪聲信號對控制和監測設備容易造成幹擾，更為嚴重的甚至損壞控制和監測設備，為了實現自動控制並且保護控制設備，信號的隔離傳輸尤為重要。目前，隔離V/V變換電路的應用越來越廣泛，對超高壓側設備進行精確的控制和數據傳輸成為一大課題，V/V變換的隔離耐壓要求越來越高，但是市場上的很多隔離信號傳輸電路，隔離耐壓值不高，線性度差，失調電壓高，影響控制和監測的精度，因此隔離電壓高、線性度好、失調電壓低成為V/V變換的發展方向。

技術實現要素：

鑑於目前市場的需求情況，本實用新型提供一種隔離耐壓100KV的小信號線性傳輸電路，解決了線性度差、精度低、失調電壓高的缺陷。

本實用新型為了實現上述目的，所採取的技術方案是：一種隔離100KV高精度V/V變換電路，其特徵在於：包括電壓-頻率變換電路、高隔離脈衝傳輸電路、頻率-電壓變換電路，所述高隔離脈衝傳輸電路分別與頻率-電壓轉換電路、電壓-頻率轉換電路連接；

具體電路連接為：所述電壓-頻率轉換電路中，輸入端電壓Vi通過電阻R1分別接電容C2的一端、控制晶片U1的比較器輸入端7腳，控制晶片U1的內部定時比較器時間設置端5腳分別接電阻R2和電容C3的一端，電阻R5與電容C4並聯，輸入正供電電壓端+Vin1分別接電阻R5和R21的一端、電容C1的一端、電阻R2的另一端、控制晶片U1的電源輸入端8腳，輸入負供電電壓端-Vin1分別接電容C12和電阻R20的一端，控制晶片U1的接地端4腳分別與電容C1和C2和C3和C12的另一端相連後接輸入地G1，控制晶片U1的基準電流端2腳通過電阻R3和R4接輸入地G1，電阻R7和電容C5並聯，控制晶片U1的電流輸出端1腳與閾值端6腳相連後接電阻R7的一端，電阻R7的另一端分別接電阻R6和R8的一端，電阻R6的另一端接輸入地G1，電阻R20的另一端接電位器RW1的一固定端1腳，電阻R21的另一端接電位器RW1的另一固定端2腳，電阻R8的另一端接電位器RW1的可調端3腳；

所述高隔離脈衝傳輸電路中，光電發射管D1的陽極接電壓-頻率轉換電路中電阻R5的另一端，光電發射管D1的陰極分別接電壓-頻率轉換電路中控制晶片U1的頻率輸出端3腳、電阻R19的一端，電阻R19的另一端接輸入正供電電壓端+Vin1，電容C6與電阻R10並聯，光電接收管D2的陰極分別接電阻R9和R10的一端，電阻R10的另一端接三極體T1的基極，三極體T1的發射極與電阻R9的另一端相連後接輸出地G2；

所述頻率-電壓變換電路中，輸出正供電電壓端+Vin2分別接電阻R11和R12和R13和R14和電容C9的一端、控制晶片U2的電源輸入端8腳、放大器U3的正電源端7腳、電位器RW3的可調端3腳、高隔離脈衝傳輸電路中光電接收管D2的陽極，電容C9的另一端接輸出地G2，電阻R11的另一端分別接電容C7的一端、高隔離脈衝傳輸電路中三極體T1的集電極，控制晶片U2的閾值端6腳分別接電阻R12和電容C7的另一端，控制晶片U2的比較器輸入端7腳分別接電阻R15的一端、電阻R13的另一端，控制晶片U2的內部定時比較器時間設置端5腳分別接電容C8的一端、電阻R14的另一端，電阻R15和電容C8的另一端相連後接輸出地G2，控制晶片U2的接地端4腳和頻率輸出端3腳相連後接輸出地G2，控制晶片U2的基準電流端2腳通過電阻R16 接電位器RW2的一固定端1腳，電位器RW2的另一固定端2腳與可調端3腳相連後接輸出地G2，電阻R17和電容C10並聯，控制晶片U2的電流輸出端1腳分別接放大器U3的同相輸入端3腳、電阻R17的一端，放大器U3的反相輸入端2腳與輸出端6腳相連後接電阻R18的一端，電容C11和二極體D3並聯，電阻R18的另一端接二極體D3的負極，並作為輸出端Vo引出，電阻R17的另一端與二極體D3的正極相連後接輸出地G2，輸出負供電電壓端-Vin2分別接放大器U3的負電源端4腳、電容C13的一端，電容C13的另一端接輸出地G2，放大器U3的一調零端1腳接電位器RW3的一固定端1腳，放大器U3的另一調零端8腳接電位器RW3的另一固定端2腳。

本實用新型的有益效果是：實現了隔離耐壓100KV的V/V傳輸，減少了應用設備對控制和監測設備的幹擾及損傷；通過採用分單元調零補償方式，使信號傳輸精度達到0.01%，線性度達到0.1%，失調電壓為0.001V以下；解決了線性度差、精度低、失調電壓高的缺陷，提高了控制和監測的精度，尤其在隔離高壓電源中，電壓調節和高壓監測部分得到了很好地應用。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路連接框圖；

圖2為本實用新型的電路原理圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，隔離100KV高精度V/V變換電路，它包括電壓-頻率變換電路、高隔離脈衝傳輸電路、頻率-電壓變換電路。

高隔離脈衝傳輸電路分別與頻率-電壓轉換電路、電壓-頻率轉換電路連接。

上述電壓-頻率轉換電路中，輸入端電壓Vi通過電阻R1分別接電容C2的一端、控制晶片U1的比較器輸入端7腳，控制晶片U1的內部定時比較器時間設置端5腳分別接電阻R2和電容C3的一端，電阻R5與電容C4並聯，輸入正供電電壓端+Vin1分別接電阻R5和R21的一端、電容C1的一端、電阻R2的另一端、控制晶片U1的電源輸入端8腳，輸入負供電電壓端-Vin1分別接電容C12和電阻R20的一端，控制晶片U1的接地端4腳分別與電容C1和C2和C3和C12的另一端相連後接輸入地G1，控制晶片U1的基準電流端2腳通過電阻R3和R4接輸入地G1，電阻R7和電容C5並聯，控制晶片U1的電流輸出端1腳與閾值端6腳相連後接電阻R7的一端，電阻R7的另一端分別接電阻R6和R8的一端，電阻R6的另一端接輸入地G1，電阻R20的另一端接電位器RW1的一固定端1腳，電阻R21的另一端接電位器RW1的另一固定端2腳，電阻R8的另一端接電位器RW1的可調端3腳。

上述高隔離脈衝傳輸電路中，光電發射管D1的陽極接電壓-頻率轉換電路中電阻R5的另一端，光電發射管D1的陰極分別接電壓-頻率轉換電路中控制晶片U1的頻率輸出端3腳、電阻R19的一端，電阻R19的另一端接輸入正供電電壓端+Vin1，電容C6與電阻R10並聯，光電接收管D2的陰極分別接電阻R9和R10的一端，電阻R10的另一端接三極體T1的基極，三極體T1的發射極與電阻R9的另一端相連後接輸出地G2。

上述頻率-電壓變換電路中，輸出正供電電壓端+Vin2分別接電阻R11和R12和R13和R14和電容C9的一端、控制晶片U2的電源輸入端8腳、放大器U3的正電源端7腳、電位器RW3的可調端3腳、高隔離脈衝傳輸電路中光電接收管D2的陽極，電容C9的另一端接輸出地G2，電阻R11的另一端分別接電容C7的一端、高隔離脈衝傳輸電路中三極體T1的集電極，控制晶片U2的閾值端6腳分別接電阻R12和電容C7的另一端，控制晶片U2的比較器輸入端7腳分別接電阻R15的一端、電阻R13的另一端，控制晶片U2的內部定時比較器時間設置端5腳分別接電容C8的一端、電阻R14的另一端，電阻R15和電容C8的另一端相連後接輸出地G2，控制晶片U2的接地端4腳和頻率輸出端3腳相連後接輸出地G2，控制晶片U2的基準電流端2腳通過電阻R16 接電位器RW2的一固定端1腳，電位器RW2的另一固定端2腳與可調端3腳相連後接輸出地G2，電阻R17和電容C10並聯，控制晶片U2的電流輸出端1腳分別接放大器U3的同相輸入端3腳、電阻R17的一端，放大器U3的反相輸入端2腳與輸出端6腳相連後接電阻R18的一端，電容C11和二極體D3並聯，電阻R18的另一端接二極體D3的負極，並作為輸出端Vo引出，電阻R17的另一端與二極體D3的正極相連後接輸出地G2，輸出負供電電壓端-Vin2分別接放大器U3的負電源端4腳、電容C13的一端，電容C13的另一端接輸出地G2，放大器U3的一調零端1腳接電位器RW3的一固定端1腳，放大器U3的另一調零端8腳接電位器RW3的另一固定端2腳。

晶片U1、U2的型號為：LM331；晶片U3的型號為：OP07。

電壓-頻率轉換電路中，考慮到電壓和頻率轉換的精度和穩定度，電容C3採用NPO材質，性能穩定可靠。RW1為線性度調節電阻，為了保證調節精度電阻RW1選用多圈電位器，發射管應選擇光敏特性好的器件。

頻率-電壓轉換電路中，考慮到頻率和電壓轉換的精度和穩定度，電容C8採用NPO材質，性能穩定可靠。為了保證頻率信號傳輸的準確性，發光管和接收管應該用絕緣管密封。考慮到降額設計，絕緣管的耐壓值應進行120KV測試。

RW3為零點補償調節電位器，為了保證調節精度選用多圈電位器。

本電路在PCB設計布局時，考慮了輸入與輸出端的高絕緣耐壓，輸入端與輸出端有一定的空間距離，減少高壓幹擾，以保證電路工作的可靠性。

工作原理

在電壓頻率變換電路中，控制晶片U1的5腳為內部定時比較器的時間設置端，定時時間取決於電阻R3和電容C2。模擬信號從Vi輸入，經電阻R1和電容C3組成的輸入濾波後，送到控制晶片U1的內部輸入比較器的同相端7腳，根據上述兩個比較器輸入端電壓的變化，周期性的控制內部觸發器的翻轉，並在控制晶片U1的頻率輸出端3腳輸出一定頻率的脈衝方波，並通過調節電位器RW1可以調節低端頻率信號的線性度。

在高隔離脈衝傳輸電路和頻率電壓變換電路中，控制晶片U2的5腳為內部定時比較器的時間設置端，定時時間取決於電阻R16和電容C7。從光電接收管D2隔離傳送過來的一定頻率的脈衝信號，經電阻R12和電容C6組成的微分電路，產生的尖脈衝加到控制晶片U2的閾值端6腳，即晶片U2內部輸入比較器的反相端。經內部的各環節控制，在控制晶片U2的電流輸出端1腳獲得電荷積累，脈衝頻率越高，電容C10上的電壓越高。得到的模擬電壓，又經過高精度放大器U3構成的跟隨器，最終還原回與輸入模擬電壓相同的電壓。為提高輸出變換精度，減少非線性失真，採用晶片OP07，通過調節電位器RW3進行輸出零點補償，使輸入失調電壓降到最低；通過調節電位器RW2，提高輸出電壓與輸入電壓的對應精度。