[发明专利]一种基于电容隔离的电压数字转换电路

说明书

本发明公开了一种基于电容隔离的电压数字转换电路，本发明通过电压/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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为了达到上述目的，本发明包括：

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。

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。

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。