一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的制作方法

本发明实施例涉及工业自动化测量测控技术，尤其涉及一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路。

背景技术：

随着科学技术的发展，工业现场、电力监控、医疗设备和试验研究等领域对远程监控设备要求也越来越多，而对远程设备控制模块的隔离耐压、控制精度、抗干扰能力、安全可靠性、高效节能环保、降低应用成本、智能化程度和安装方式等都有比较高的要求。

由于信号的长距离传输，被测信号、上位机和执行设备的地线之间的电压差可能达到几十，几百甚至上千上万伏特，如果不隔离直接转换就会有数据不准确，跳动等现象，严重时可能损坏设备，甚至造成人身伤害，所以必须采取隔离措施。因此，模拟信号高耐压隔离转换器件起着越来越重要作用，在一般工业现场使用的传感器要实现信号匹配的应用，除了考虑地线环绕因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。这种输出信号的转换如果购买专用的有源型转换设备，不仅隔离耐压低，价格高，体积大，功耗大，发热量高，现场使用也不是很方便，需增加两根电源线，使现场布线变为复杂，增加布线成本。

目前国内外信号隔离器高端产品隔离耐压强度到达3000vdc/min，主流隔离耐压强度到达2500vdc/min，常规信号隔离器隔离耐压强度在1000-2000vdc/min。然而这些产品只能满足部分低隔离耐压需求产品的应用，针对于部分现场需要更高隔离耐压产品的应用却显得不足。比如很多电力的数据采集应用，要求隔离电压最少需要3000vdc，甚至4000vac以上，医疗行业的应用，一般都要4000vac或6000vdc，甚至更高。目前市场有高隔离耐压这方面的需求，但却没有相应更高隔离耐压的模拟量信号隔离产品。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路，以实现工业现场传感器与仪器仪表、plc(可编程逻辑控制器)、dcs(分布式控制系统)之间4-20ma信号的高精度、高线性度的10kv抗emc(电磁兼容)高隔离传输及v/i转换。

为达此目的，本发明实施例提供了一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路，该模拟信号隔离电路包括：

v/i转换电路，包括第一输入接口和第一输出接口，所述第一输入接口连接至外部输入电路，所述v/i转换电路用于将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号；

隔离电路，包括第二输入接口和第二输出接口，所述第二输入接口和第一输出接口连接，所述隔离电路用于对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号；

电流输出电路，包括第三输入接口和第三输出接口，所述第三输入接口和第二输入接口连接，所述电流输出电路用于接收所述目标电流信号，并通过所述第三输出接口将所述目标电流信号输出至外部输出电路。

进一步的，所述电流输出电路采用两线制回路供电环路输出形式，所述电流输出电路还用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。

进一步的，该模拟信号隔离电路还包括：

配电输出电路，包括第四输入接口和第四输出接口，所述第四输入接口和第二输入接口连接，所述配电输出电路用于接收所述电流输出电路经过隔离电路返回的回路电流信号，并通过所述第四输出接口将所述回路电流信号输出至所述外部输入电路以供电。

进一步的，该模拟信号隔离电路还包括：

直流转换电路，包括第五输入接口和第五输出接口，所述第五输入接口和第二输入接口连接，所述第五输出接口和第四输入接口连接，所述直流转换电路用于接收所述电流输出电路经过隔离电路返回的回路电流信号，并对所述回路电流信号进行整流逆变以发送给所述配电输出电路。

进一步的，该模拟信号隔离电路还包括：

整流滤波电路，包括第六输入接口和第六输出接口，所述第六输入接口和第二输入接口连接，所述第六输出接口和第五输入接口连接，所述整流滤波电路用于接收所述电流输出电路经过隔离电路返回的回路电流信号，并对所述回路电流信号进行整流和滤波以发送给所述直流转换电路。

进一步的，该模拟信号隔离电路还包括：

第一调制解调电路，包括第七输入接口和第七输出接口，所述第七输入接口和第一输出接口连接，所述第七输出接口和第二输入接口连接，所述第一调制解调电路用于对所述目标电流信号进行调制；

第二调制解调电路，包括第八输入接口和第八输出接口，所述第八输入接口和所述第二输出接口连接，所述第八输出接口和第三输入接口连接，所述第二调制解调电路用于对所述目标电流信号进行解调。

进一步的，所述第一调制解调电路还包括第一接口，所述第一接口和第六输入接口连接，所述第二调制解调电路还用于对所述回路电流信号进行调制，所述第一调制解调电路还用于对所述回路电流信号进行解调。

进一步的，该模拟信号隔离电路还包括：

信号加减电路，包括第九输入接口和第九输出接口，所述第九输入接口和第一输出接口连接，所述第九输出接口和第七输入接口连接，所述信号加减电路用于对所述第一电流信号进行加减处理。

进一步的，所述信号加减电路还包括第二接口，所述直流转换电路还包括第三接口，所述直流转换电路还用于给所述信号加减电路提供工作电压。

进一步的，该模拟信号隔离电路还包括：

零点增益调节电路，包括第五接口，所述信号加减电路还包括第四接口，所述第四接口和第五接口连接，所述零点增益调节电路用于对所述第一电流信号的零点和满度值进行校准。

本发明实施例通过v/i转换电路，包括第一输入接口和第一输出接口，所述第一输入接口连接至外部输入电路，所述v/i转换电路用于将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号；隔离电路，包括第二输入接口和第二输出接口，所述第二输入接口和第一输出接口连接，所述隔离电路用于对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号；电流输出电路，包括第三输入接口和第三输出接口，所述第三输入接口和第二输入接口连接，所述电流输出电路用于接收所述目标电流信号，并通过所述第三输出接口将所述目标电流信号输出至外部输出电路，解决了没有更高隔离耐压的模拟量信号隔离产品的问题，实现了工业现场传感器与仪器仪表、plc、dcs之间4-20ma信号的高精度、高线性度的10kv抗emc高隔离传输及v/i转换的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的电路示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的电路示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的电路示意图；

图4是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的电路示意图；

图5是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的电路示意图；

图6是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的电路示意图；

图7是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的部分具体电路示意图；

图8是本发明实施例一提供的一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路的部分具体电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一模块称为第二模块，且类似地，可将第二模块称为第一模块。第一模块和第二模块两者都是模块，但其不是同一模块。术语“第一”、“第二”等不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种10千伏高耐压模拟信号隔离电路，该模拟信号隔离电路包括v/i转换电路100、隔离电路200和电流输出电路300。

具体的，v/i转换电路100包括第一输入接口101和第一输出接口102，所述第一输入接口101连接至外部输入电路，所述v/i转换电路100用于将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号；隔离电路200包括第二输入接口201和第二输出接口202，所述第二输入接口201和第一输出接口102连接，所述隔离电路200用于对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号；电流输出电路300包括第三输入接口301和第三输出接口302，所述第三输入接口301和第二输入接口201连接，所述电流输出电路300用于接收所述目标电流信号，并通过所述第三输出接口302将所述目标电流信号输出至外部输出电路。

本实施例中，v/i转换电路100可以将电压信号转换为电流信号，v/i转换电路100主要包括低输入偏置电流放大器、电压反转电荷泵和电流环路发送器，其中，低输入偏置电流放大器可采用型号为ad8512的低输入偏置电流放大器，电压反转电荷泵可采用型号为xc6351a120mr的电压反转电荷泵，电流环路发送器可采用型号为的xtr115电流环路发送器，以达到较高的转换精度。可选的，v/i转换电路100也可以为i/i转换电路或其他类型的转换电路以适应用户的需求。隔离电路200采用10kv(千伏)隔离电路200，通过高隔离耐压变压器耦合实现10kvac的隔离，其中主要包括型号为xn4601的晶体三极管，以实现电流信号的电气隔离。电流输出电路300采用两线制回路供电环路输出形式，具体为采用两线制回路供电4-20ma电流环路输出形式设计，所述电流输出电路300还用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。

示例性的，v/i转换电路100通过第一输入接口101将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号，然后通过第一输出接口102将第一电流信号发送给给隔离电路200的第二输入接口201，隔离电路200对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号后，通过第二输出接口202将目标电流信号发送给电流输出电路300的第三输入接口301，最后电流输出电路300通过第三输出接口302将目标电流信号输出至外部输出电路。

进一步的，参考图2-6，该模拟信号隔离电路还包括配电输出电路400、直流转换电路500、整流滤波电路600、第一调制解调电路700、第二调制解调电路800、信号加减电路900和零点增益调节电路1000。

示例性的，如图2所示，配电输出电路400包括第四输入接口401和第四输出接口402，所述第四输入接口401和第二输入接口201连接，所述配电输出电路400用于接收所述电流输出电路300经过隔离电路200返回的回路电流信号，并通过所述第四输出接口402将所述回路电流信号输出至所述外部输入电路以供电。

v/i转换电路100通过第一输入接口101将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号，然后通过第一输出接口102将第一电流信号发送给隔离电路200的第二输入接口201，隔离电路200对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号后，通过第二输出接口202将目标电流信号发送给电流输出电路300的第三输入接口301，最后电流输出电路300通过第三输出接口302将目标电流信号输出至外部输出电路，此外，因电流输出电路300采用两线制回路供电4-20ma电流环路输出形式设计，在电流输出电路300将目标电流信号输出至外部输出电路之后，电流输出电路300还用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。具体为电流输出电路300将所述目标电流信号转换为回路电流信号后，通过第三输入接口301将回路电流信号输出至隔离电路200的第二输出接口202，隔离电路200对回路电流信号进行隔离后通过第二输入接口201输出给配电输出电路400的第四输入接口401，最后配电输入接口通过第四输出接口402将回路电流信号输出至外部输入电路以供电，由此完成了电流输出电路300用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。

示例性的，如图3所示，直流转换电路500包括第五输入接口501和第五输出接口502，所述第五输入接口501和第二输入接口201连接，所述第五输出接口502和第四输入接口401连接，所述直流转换电路500用于接收所述电流输出电路300经过隔离电路200返回的回路电流信号，并对所述回路电流信号进行整流逆变以发送给所述配电输出电路400。

v/i转换电路100通过第一输入接口101将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号，然后通过第一输出接口102将第一电流信号发送给隔离电路200的第二输入接口201，隔离电路200对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号后，通过第二输出接口202将目标电流信号发送给电流输出电路300的第三输入接口301，最后电流输出电路300通过第三输出接口302将目标电流信号输出至外部输出电路，此外，因电流输出电路300采用两线制回路供电4-20ma电流环路输出形式设计，在电流输出电路300将目标电流信号输出至外部输出电路之后，电流输出电路300还用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。具体为电流输出电路300将所述目标电流信号转换为回路电流信号后，通过第三输入接口301将回路电流信号输出至隔离电路200的第二输出接口202，隔离电路200对回路电流信号进行隔离后通过第二输入接口201输出给直流转换电路500的第五输入接口501，直流转换电路500对回路电流信号进行整流逆变后通过第五输出接口502输出给配电输出电路400的第四输入接口401，最后配电输入接口通过第四输出接口402将回路电流信号输出至外部输入电路以供电，由此完成了电流输出电路300用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。

示例性的，如图4所示，整流滤波电路600包括第六输入接口601和第六输出接口602，所述第六输入接口601和第二输入接口201连接，所述第六输出接口602和第五输入接口501连接，所述整流滤波电路600用于接收所述电流输出电路300经过隔离电路200返回的回路电流信号，并对所述回路电流信号进行整流和滤波以发送给所述直流转换电路500。

v/i转换电路100通过第一输入接口101将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号，然后通过第一输出接口102将第一电流信号发送给隔离电路200的第二输入接口201，隔离电路200对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号后，通过第二输出接口202将目标电流信号发送给电流输出电路300的第三输入接口301，最后电流输出电路300通过第三输出接口302将目标电流信号输出至外部输出电路，此外，因电流输出电路300采用两线制回路供电4-20ma电流环路输出形式设计，在电流输出电路300将目标电流信号输出至外部输出电路之后，电流输出电路300还用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。具体为电流输出电路300将所述目标电流信号转换为回路电流信号后，通过第三输入接口301将回路电流信号输出至隔离电路200的第二输出接口202，隔离电路200对回路电流信号进行隔离后通过第二输入接口201输出给整流滤波电路600的第六输入接口601，整流滤波电路600对所述回路电流信号进行整流和滤波后通过第六输出接口602输出给直流转换电路500的第五输入接口501，直流转换电路500对回路电流信号进行整流逆变后通过第五输出接口502输出给配电输出电路400的第四输入接口401，最后配电输入接口通过第四输出接口402将回路电流信号输出至外部输入电路以供电，由此完成了电流输出电路300用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。

示例性的，如图5所示，第一调制解调电路700包括第七输入接口701和第七输出接口702，所述第七输入接口701和第一输出接口102连接，所述第七输出接口702和第二输入接口201连接，所述第一调制解调电路700用于对所述目标电流信号进行调制。第二调制解调电路800包括第八输入接口801和第八输出接口802，所述第八输入接口801和所述第二输出接口202连接，所述第八输出接口802和第三输入接口301连接，所述第二调制解调电路800用于对所述目标电流信号进行解调。所述第一调制解调电路700还包括第一接口703，所述第一接口703和第六输入接口601连接，所述第二调制解调电路800还用于对所述回路电流信号进行调制，所述第一调制解调电路700还用于对所述回路电流信号进行解调。

v/i转换电路100通过第一输入接口101将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号，然后通过第一输出接口102将第一电流信号发送给第一调制解调电路700的第七输入接口701，第一调制解调电路700对第一电流信号进行调制，然后通过第七输出接口702输出给隔离电路200的第二输入接口201，隔离电路200对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号后，通过第二输出接口202将目标电流信号发送给第二调制解调电路800的第八输入接口801，第二调制解调电路800对目标电流信号进行解调后将目标电流信号通过第八输出接口802输出给电流输出电路300的第三输入接口301，最后电流输出电路300通过第三输出接口302将目标电流信号输出至外部输出电路，由此完成各路信号输入与输出之间4-20ma电流信号的10kvac高隔离防窜扰及防护。进一步的，因电流输出电路300采用两线制回路供电4-20ma电流环路输出形式设计，在电流输出电路300将目标电流信号输出至外部输出电路之后，电流输出电路300还用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。具体为电流输出电路300将所述目标电流信号转换为回路电流信号后，通过第三输入接口301将回路电流信号输出至第二调制解调电路800的第八输出接口802，第二调制解调电路800对回路电流信号进行调制后将回路电流信号输出给隔离电路200的第二输出接口202，隔离电路200对回路电流信号进行隔离后通过第二输入接口201输出给第一调制解调电路700的第七输出接口702，第一调制解调电路700对回路电流信号解调后通过第七输入接口701输出给整流滤波电路600的第六输入接口601，整流滤波电路600对所述回路电流信号进行整流和滤波后通过第六输出接口602输出给直流转换电路500的第五输入接口501，直流转换电路500对回路电流信号进行整流逆变后通过第五输出接口502输出给配电输出电路400的第四输入接口401，最后配电输入接口通过第四输出接口402将回路电流信号输出至外部输入电路以供电，由此完成了电流输出电路300用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。

示例性的，如图6所示，信号加减电路900包括第九输入接口901和第九输出接口902，所述第九输入接口901和第一输出接口102连接，所述第九输出接口902和第七输入接口701连接，所述信号加减电路900用于对所述第一电流信号进行加减处理。所述信号加减电路900还包括第二接口903，所述直流转换电路500还包括第三接口503，所述直流转换电路500还用于给所述信号加减电路900提供工作电压。零点增益调节电路1000包括第五接口1001，所述信号加减电路900还包括第四接口904，所述第四接口904和第五接口1001连接，所述零点增益调节电路1000用于对所述第一电流信号的零点和满度值进行校准。

v/i转换电路100通过第一输入接口101将所述外部输入电路输入的第一电压信号转换为第一电流信号，然后通过第一输出接口102将第一电流信号发送给信号加减电路900的第九输入接口901，然后信号加减电路900对所述第一电流信号进行加减处理，进一步的，零点增益调节电路1000还可以通过第五接口1001和信号加减电路900的第四接口904连接，以对所述第一电流信号的零点和满度值进行校准，经过加减处理后的第一电流信号通过第九输出接口902输出给第一调制解调电路700的第七输入接口701，第一调制解调电路700对第一电流信号进行调制，然后通过第七输出接口702输出给隔离电路200的第二输入接口201，隔离电路200对所述第一电流信号进行隔离以产生目标电流信号后，通过第二输出接口202将目标电流信号发送给第二调制解调电路800的第八输入接口801，第二调制解调电路800对目标电流信号进行解调后将目标电流信号通过第八输出接口802输出给电流输出电路300的第三输入接口301，最后电流输出电路300通过第三输出接口302将目标电流信号输出至外部输出电路，由此完成各路信号输入与输出之间4-20ma电流信号的10kvac高隔离防窜扰及防护。

进一步的，因电流输出电路300采用两线制回路供电4-20ma电流环路输出形式设计，在电流输出电路300将目标电流信号输出至外部输出电路之后，电流输出电路300还用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。具体为电流输出电路300将所述目标电流信号转换为回路电流信号后，通过第三输入接口301将回路电流信号输出至第二调制解调电路800的第八输出接口802，第二调制解调电路800对回路电流信号进行调制后将回路电流信号输出给隔离电路200的第二输出接口202，隔离电路200对回路电流信号进行隔离后通过第二输入接口201输出给第一调制解调电路700的第七输出接口702，第一调制解调电路700对回路电流信号解调后通过第七输入接口701输出给整流滤波电路600的第六输入接口601，整流滤波电路600对所述回路电流信号进行整流和滤波后通过第六输出接口602输出给直流转换电路500的第五输入接口501，直流转换电路500对回路电流信号进行整流逆变后通过第五输出接口502输出给配电输出电路400的第四输入接口401，最后配电输入接口通过第四输出接口402将回路电流信号输出至外部输入电路以供电，由此完成了电流输出电路300用于将所述目标电流信号转换为回路电流信号以给所述外部输入电路供电。此外，信号加减电路900还包括第二接口903，所述直流转换电路500还包括第三接口503，所述直流转换电路500接收到回路电流信号后还用于通过第三接口503将回路电流信号输出给所述信号加减电路900的第二接口903，以给信号加减电路900提供工作电压。

本实施例中，加减电路还可以对输入带零点偏置及双向信号进行处理，满足各种传感器，变送器信号转换需求，且实现产品小型化，整个电路采用sip16pin阻燃ic封装构成产品，用户只需在产品输入端加上少量外围器件，即可实现电子尺、位移、电位器等需要提供配电型的传感器及电桥(称重)检测电路中电压信号配送。本发明实施例所提供的模拟信号隔离电路中的具体电路可以如图7和图8所示，图7为整个电路在隔离传输之前的电路，配电输出电路400之前还可以设置一个i/v转换电路1100，用于将电流信号转换为电压信号后输出，整流滤波电路600起到第一调制解调电路700的作用，图8为整个电路在隔离传输之后的电路。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。