CN202014236U - 一种输入/输出隔离模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种输入/输出隔离模块，包括：输入调制电路用于调制外部输入的电压信号/电流信号；输出解调电路用于解调所述输入电压信号/电流信号；输出电压/电流变换电路和输出电流/电压变换电路分别用于将已解调的电压/电流信号转换为电流/电压信号并输出；输入电源电路用于为输入调制电路供电；输出电源电路用于为输出调制电路、电压/电流变换和电流电压/变换电路供电；隔离电源电路用于为输入或输出电源电路提供与外部总电源隔离的电压；参考电源电路用于为隔离电源电路、输入或输出电源电路提供稳定的电压。以实现输入或输出的选择，并在输入和输出之间提供高度的电隔离。

Description

一种输入/输出隔离模块

技术领域

本实用新型涉及一种隔离模块，特别是指一种输入/输出隔离模块。

背景技术

在共地的电气设备之间，容易产生地环流，使得各种设备之间出现相互干扰的情况。通常，解决这种问题的方法，是通过在所述设备之间设置一隔离模块，以实现设备之间的电气隔离，解决干扰。

在核电站系统中的各种设备之间，需要设置一可以选择输入或输出的、并能够在输入和输出之间提供高度电隔离的隔离模块。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种输入/输出隔离模块，以实现输入或输出的选择，并在输入和输出之间提供高度的电隔离。

本实用新型提供的一种输入/输出隔离模块，其特征在于，包括：

输入调制电路10，用于调制外部输入的电压信号或电流信号；

输出解调电路20，与输入调制电路10相连接，用于解调所述输入电压信号或电流信号，以将其与噪声区分开；

输出电压/电流变换电路30，与输出解调电路20相连接，用于将已解调的电压信号转换为电流信号并输出；

输出电流/电压变换电路40，与输出解调电路20相连接，用于将已解调的电流信号转换为电压信号并输出；

输入电源电路50，与输入调制电路10相连接，用于为输入调制电路10供电；

输出电源电路60，与输出解调电路20相连接，用于为输出调制电路20、电压/电流变换电路和电流电压/变换电路供电；

隔离电源电路70，与输入电源电路50或输出电源电路60相连接，用于为输入电源电路50或输出电源电路60提供与外部总电源隔离的电压；

参考电源电路80，与隔离电源电路70相连接，并与外部总电源相连接，用于为隔离电源电路70、输入电源电路50或输出电源电路60提供稳定的电压。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：

在所述输入调制电路10的输入端与输出端之间依次连接的时钟电路90、触发电路100和过压保护电路110。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括与所述输出解调电路20相连接的过压保护电路120。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输出电压/电流转换电路30的输入端与输出端之间连接有过压保护电路130。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输出电流/电压转换电路40的输入端与输出端之间依次连接的电压跟随电路140，过压保护电路150，160。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输入电源电路50的输入端与输出端之间依次连接的稳压电路170，过压保护电路180，190。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输出电源电路60的输入端与输出端之间依次连接的稳压电路200，过压保护电路210，220。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，所述隔离电源电路70包括：

斩波电路71，用于稳压调节；

整流滤波电路72，用于输出与外部总电源隔离的电压。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述隔离电源电路70的输入端与输出端之间依次连接的过压保护电路230和滤波电路240。

上述输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：与所述参考电源电路80相连接的过压保护电路250。

由上可以看出，实用新型可以实现输入或输出的选择，并可在输入和输出之间提供高度的电隔离。

附图说明

图1为本实用新型一种输入/输出隔离模块的电路原理图；

图2为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输入调制电路图；

图3为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输入调制电路的信号波形图；

图4为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输出解调电路图；

图5为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输出解调电路的信号波形图；

图6为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输出电压/电流变换电路图；

图7为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输出电流/电压变换电路图；

图8为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输入电源电路图；

图9为本实用新型一种输入/输出隔离模块的输出电源电路图；

图10为本实用新型一种输入/输出隔离模块的参考电源电路图；

图11为本实用新型一种输入/输出隔离模块的隔离电源电路图；

图12为本实用新型一种输入/输出隔离模块实现输入隔离的接线图；

图13为本实用新型一种输入/输出隔离模块实现输出隔离的接线图；

图14为本实用新型一种输入/输出隔离模块实现电压输入、电流输出模式的接线图；

图15为本实用新型一种输入/输出隔离模块实现电流输入、电压输出模式的接线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型提供的一种输入/输出隔离模块进行详细地介绍。

如图1所示，本实用新型提供的一种输入/输出隔离模块主要由输入调制电路10，与输入调制电路相连接的输出解调电路20，与输出解调电路20相连接的输出电压/电流变换电路30和输出电流/电压变换电路40，与输入调制电路10相连接的输入电源电路50，与输出解调电路20相连接的输出电源电路60，与输入电源电路50或输出电源电路60相连接的隔离电源电路70和参考电源电路80，其中参考电源电路80与外部总电源连接。需要说明的是，图1中上述电路各个部分中的电路仅示出了主要器件，具体每个部分可参见其他电路图。其中：

输入调制电路10用于调制外部输入的电压信号或电流信号。所述电压信号的范围是+1～+5V，所述电流信号的范围是4～20mA。

输出解调电路20用于解调所述输入电压信号或电流信号，以将其与噪声区分开来。

输出电压/电流变换电路30用于将已解调的电压信号转换为电流信号并输出。经转换后的电流信号范围是4～20mA。

输出电流/电压变换电路40用于将已解调的电流信号转换为电压信号并输出。经转换后的电压信号范围是+1～+5V。

输入电源电路50用于为输入调制电路10供电。

输出电源电路60用于为输出调制电路20，电压/电流变换电路供电和电流电压/变换电路，其与输入电源电路50相互电隔离。

隔离电源电路70用于为输入电源电路50或输出电源电路60提供与外部总电源隔离的28V电压。

参考电源电路80用于为隔离电源电路70提供18V电压，为输入电源电路50或输出电源电路60提供28V电压。

下面结合附图对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型的输入/输出隔离，主要是通过输入调制电路10和输出解调电路20之间的电容耦合，及其各自的单独电源(输入电源电路50和输出电源电路60)来实现的。

如图2所示的输入调制电路10，用于调制外部输入的电压信号或电流信号(输入信号)，下面对该电路进行说明：

输入调制电路10主要通过比较放大器A5实现输入信号的调制。另外，在输入调制电路10的输入端与输出端之间依次连接有一个由逻辑电路A4-1和A4-2串联构成的时钟电路90；一个由逻辑电路A4-3和A4-4串联构成的触发电路100；以及由热敏电阻R47和R48并联构成的过压保护电路110。

具体而言，如图2、图3所示，当时钟电路发出的时钟脉冲输出信号①从高电平向低电平变化时(仅在时钟脉冲输出信号①发生变化时，其变化才能经电容C22发送出去)，逻辑电路A4-3在其输入端6(触发电路的输入端之一)接收到一个低电平(触发电路输入信号②)，接着在其输出端(逻辑电路A4-3输出端4)输出一个高电平。由电容C23以类似短路那样工作，将高电平发送到逻辑电路A4-4的输入端1，2。逻辑电路A4-4的输出端3发送一个低电平信号至逻辑电路A4-3的输入端5。在时钟脉冲输出信号①的变化终止时，逻辑电路A4-3的输入端6复位到高电平，但是，由于逻辑电路A4-3的输入端5为低电平，因此触发电路仍然处于原来的状态。同时，通过逻辑电路A4-3的输入端4输出的高电平，为电容C27充电。通过电阻R42和晶体管Q5，为电容C23充电(Q5的电流经放大电路的输出信号调制)。当为电容C23充电时，逻辑电路A4-4的输入端1和2之间的电位便下降。当该电位下降至转位电位③时，逻辑电路A4-4的输入和输出信号反向。此时，逻辑电路A4-3的输入端5和6都接收到高电平信号，于是其输出端4置于低电平，即输出信号④为低电平信号。加到逻辑电路A4-4输入端1和2的电压变化速度取决于电容C23的充电电流，即晶体管Q5的电流。由于Q5的电流经由放大电路的输出信号调制，这样逻辑电路A4-3输出端4上的脉冲宽度，决定了电容C27两端的电压，因此所述输出信号的平均值在任何时候都等于输入信号。即，经放大电路(比较放大器A5)调制的输出信号在任何时候，其平均值保持在一个与电容C27两端的输入信号相等的电压。因此，在输入调制电路10的输出端的脉冲宽度取决于所述输入信号。

输入调制电路10可以接受一个+1～+5V的电压信号，或一个4～20mA的电流信号。通过外接线的变化，可以实现这两种信号的转换：

如图2所示，对于输入信号为电压信号来说，不安装跨接线K1，直接把电压信号加到比较放大器A5的输入端，即完成图14示出的电压/电流转换；对于输入信号为电流信号来说，需要安装跨接线K1，即完成如图15示出的电流/电压转换。该电流信号在测量电阻RM的两端形成一个电压降，该电压降被加到比较放大器A5的输入端。

另外，输入调制电路10中的过压保护电路(热敏电阻R47和R48)可以用来防止可能被加到比较放大器A5的输入端的测量电阻RM过压。电容C21使输入调制电路10与输出解调电路20隔离。通过测试插孔测量电阻R50的电流，便可以由此测量出输入电流的大小。

经输入调制电路10调制后的输入信号通过电容耦合(电容C21与图4示出的电容C17、C20进行耦合)，传送至输出解调电路20。在所述输入信号由低电平向高电平转换期间，如图4所示，逻辑电路A3-1的输入端12和13，以及逻辑电路A3-2的输入端8接收到高电平信号。逻辑电路A3-3的输入端1接收到低电平信号，其输出端3处为高电平信号。

在所述输入信号由低电平向高电平转换结束后，逻辑电路A3-1的输入端12和13复位到低电平，而逻辑电路A3-2的输入端8保持高电平。经接线口VS(由输出电源电路60提供，将在下文介绍)外加在逻辑电路A3-2输入端8和9的电信号，通过电阻R25，保持高电平，其输出端10为低电平，同时逻辑电路A3-3的输入端3保持高电平。

在上述过程中，当所述输入信号为高电平信号时，逻辑电路A3-3输出端3输出的也是高电平信号，并通过电阻R34-1对电容C16进行加载。

在所述输入信号由高电平向低电平转换期间，逻辑电路A3-1的输入端12和13，以及逻辑电路A3-2的输入端8接收到低电平信号(图5示出了逻辑电路A3-1的输入端12和13的输入信号波形①，以及逻辑电路A3-2的输入端8的输入信号波形②)，A3-3的输入端1和2接收到高电平信号，则其输出端3输出低电平信号。

在所述输入信号由高电平向低电平转换结束后，通过接线口VS外加在逻辑电路A3-2的输入端8处的电信号，通过电阻R25保持在高电平，逻辑电路A3-1的输入端12和13通过电阻R38保持在低电平，逻辑电路A3-3的输入端1和2为高电平，其输出端3为低电平。

在上述过程中，当所述输入信号为电平信号时，逻辑电路A3-3的输出信号也是低电平信号，电容C16通过电阻R34-1放电。关于输出解调电路中各逻辑电路输入/输出端高低电平转换状态，可参见表1及图5示出的输出解调电路的信号波形。

表1.输出解调电路中各逻辑电路输入/输出端高低电平转换状态表

(L：低电平，H：高电平)

因此，加在C16两端的电压有效值与所述输入信号的脉冲宽度有关。

另外，在输出解调电路20的输入端与输出端之间，连接有一个由相互间并联的二极管D17和D20构成的过压保护电路120，用于限制加到逻辑电路A3-1输入端12，13以及逻辑电路A3-2输入端8处的电压。具体为：当逻辑电路A3-1输入端12，13以及逻辑电路A3-2输入端8处的电压小于接线口+VS处的电压时，所述二极管D17和D20不起作用；当逻辑电路A3-1输入端12，13以及逻辑电路A3-2输入端8处的电压大于接线口+VS处的电压时，所述二极管D17和D20导通，使多余的电流通过电阻R26和R38导走。电容C17和C20使输出解调电路20与输入调制电路10隔离。

上述过程完成了所述输入信号的输入调制，以及输出解调。下面可以通过输出电压/电流变换电路30或输出电流/电压变化电路40，将所述输入信号(电压或电流信号)，转换成电流或电压信号后输出。

如图6所示，输出电压/电流变换电路30的输入端接收到来自输出解调电路20的输出信号(电压信号)后，由其中的比较放大器A2进行电压至电流的转换。比较放大器A2经电阻群Ra控制转换后，由电流输出端输出的电流在任何时候都是平衡的。所述电阻群Ra由电阻R31、R32、电位器P1以及电阻网络R34-1～R34-4组成，其中电阻R32与电位器P1串联后与电阻R31并联；电阻R34-3与电阻R34-4、电阻R32、电位器P1和电阻R31串联后，与相互间串联的电阻R34-1、R34-2并联。其中，电位器P1可精确调整电阻Ra，包括电阻误差。比较放大器A2除了其增益不为零之外，其正、负输入端之间的电压几乎为零。

另外，通过输出电压/电流变换电路30中的电位器P2，可以消除比较放大器A2的偏移电压；通过连接在输出电压/电流变换电路30的输入端与输出端之间的、由相互间串联的二极管D18，D19和热敏电阻R27构成的过压保护电路130，可防止电流输出端的电路过压。其中，二极管D18可以断开正电压，二极管D19可以将负电压传送回到公共零点。热敏电阻R27可以限制电流。通过输出电压/电流变换电路30中的测试插孔测量电阻R28两端的电压降，便可以由此测量出输出电流的大小。

如图7所示，输出电流/电压变换电路40的电流输入端接收到来自输出解调电路20的输出信号(电流信号)，通过测量电阻R13转换为电压信号后，由电压输出端输出。其中，在输出电流/电压变换电路40的输入端与输出端之间连接有一个由比较放大器A1构成的电压跟随电路140，用于在比较放大器A1的输入端为高阻抗的情况下，在输出端输出低阻抗，由此可以保持输入的电流信号不变。

另外，由热敏电阻R12构成的过压保护电路150，可以防止可能被加到所述电流输入端的测量电阻R14过压。在输出电流/电压变换电路40的输入端与输出端之间、由相互间串联的二极管D11，D12和热敏电阻R17构成的过压保护电路160，可以保护比较放大器A1不过压，该过压可能从比较放大器A1的输出端加入。其中，二极管D11阶段正过压，二极管D12将负过压传送回公共零点。电阻R17限制电流。通过测试插孔测量电阻R11的电流，便可以由此测量出输出电压的大小。

完成上述输入、输出信号隔离以及对输入信号的转换之后，下面将详细介绍为实现所述输入/输出隔离，为本实用新型中各个电路供电的各个电源电路之间的连接情况。

如图10示出的参考电源电路80，将外部总电源发送过来的28V电压通过电阻R4供电的齐纳二极管D3、D4产生的偏压加到晶体管Q1的基极上，晶体管Q1的发射极发送出18V电压。其中，在参考电源电路80输入端与输出端之间的、由相互间串联的齐纳二极管D2和热敏电阻R2构成的过压保护电路250，用来防止可能由输出电源电路60施加的过压。二极管D1用来防止参考电源电路80与输出电源电路60的错误连接。

接着，如图11示出的隔离电源电路70中的斩波电路71将接收到来自参考电源电路80的18V电压进行稳压调节，然后该电压流经变压器T1的次级绕组、经过整流滤波电路72的整流滤波后，输出与外部总电源隔离的28V电压。其中：

所述斩波电路71是由变压器T1次绕组一侧上的、依次串联的电容C4、C5，晶体管Q2、Q3一起构成的。

所述整流滤波电路72是由电容C8和二极管D9并联后与二极管桥D5-D8以及电阻R9依次串联构成的。

在隔离电源电路70的输入端与输出端之间的、由相互间串联的二极管D9、D10和热敏电阻R10构成的过压保护电路230，可以用来防止隔离电源电路70因输入隔离而向变送器(如图12所示，当选择输入隔离时，即，将输入电源电路50与28V隔离电源电路70连接，输出电源电路60与参考电源电路80连接，本实用新型可外接信号变送器)供电时可能引起的外加过压。其中，二极管D10防止正过压，二极管D9将负过压返回到公共零点，热敏电阻R10限制电流。

另外，隔离电源电路70中的电阻R9可以防止电源短路；在隔离电源电路70的输入端与输出端之间的、由相互间并联的电容C2、C3和感应器L1串联后构成一个滤波电路240，用来限制斩波电路中的频率噪声反馈到外部总电源中。

如图13所示，将输入电源电路50与28V参考电源电路80连接，输出电源电路60与隔离电源电路70连接，可实现输出隔离。

如图8、图9所示，为输入调制电路10供电的输入电源电路50(通过接线口VE输出)和为输出解调电路20、输出电压/电流转换电路30和输出电流/电压转换电路40供电的输出电源电路60(通过接线口VS输出)，是两个极为相似，且相互电隔离的独立电路。其中，输入电源电路50通过由并联的齐纳二极管D25、D24与电阻R52、R51串联后构成的稳压电路170，实现对输入调制电路10的双重稳压；输出电源电路60通过由并联的齐纳二极管D14、D15与电阻R21、R22串联后构成的稳压电路200，实现对输出解调电路20、输出电压/电流转换电路30和输出电流/电压转换电路40的双重稳压。输入电源电路50通过由相互间串联的电阻R54和齐纳二极管D23构成的过压保护电路180，对输入调制电路10的比较放大器A5进行过压保护；输出电源电路60通过由相互间串联的电阻R20和齐纳二极管D16构成的过压保护电路210，对输出电压/电流变换电路30的比较放大器A2进行过压保护。

所述输入电源电路50和输出电源电路60分别通过由相互间串联的热敏电阻R53、齐纳二极管D26构成的过压保护电路190和相互间串联的热敏电阻R19、齐纳二极管D28构成的过压保护电路220，来分别防止各自电路过压，并分别通过串联二极管D27和D13来防止极性的错误连接。

对于输出电源电路60而言，其还为输出电压/电流变换器30的晶体管Q4供电。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种输入/输出隔离模块，其特征在于，包括：

输入调制电路(10)，用于调制外部输入的电压信号或电流信号；

输出解调电路(20)，与输入调制电路(10)相连接，用于解调所述输入电压信号或电流信号，以将其与噪声区分开；

输出电压/电流变换电路(30)，与输出解调电路(20)相连接，用于将已解调的电压信号转换为电流信号并输出；

输出电流/电压变换电路(40)，与输出解调电路(20)相连接，用于将已解调的电流信号转换为电压信号并输出；

输入电源电路(50)，与输入调制电路(10)相连接，用于为输入调制电路(10)供电；

输出电源电路(60)，与输出解调电路(20)相连接，用于为输出调制电路(20)、电压/电流变换电路和电流电压/变换电路供电；

隔离电源电路(70)，与输入电源电路(50)或输出电源电路(60)相连接，用于为输入电源电路(50)或输出电源电路(60)提供与外部总电源隔离的电压；

参考电源电路(80)，与隔离电源电路(70)相连接，并与外部总电源相连接，用于为隔离电源电路(70)、输入电源电路(50)或输出电源电路(60)提供稳定的电压。

2.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：

在所述输入调制电路(10)的输入端与输出端之间依次连接的时钟电路(90)、触发电路(100)和过压保护电路(110)。

3.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括与所述输出解调电路(20)相连接的过压保护电路(120)。

4.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输出电压/电流转换电路(30)的输入端与输出端之间连接有过压保护电路(130)。

5.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输出电流/电压转换电路(40)的输入端与输出端之间依次连接的电压跟随电路(140)，过压保护电路(150，160)。

6.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输入电源电路(50)的输入端与输出端之间依次连接的稳压电路(170)，过压保护电路(180，190)。

7.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述输出电源电路(60)的输入端与输出端之间依次连接的稳压电路(200)，过压保护电路(210，220)。

8.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，所述隔离电源电路(70)包括：

斩波电路(71)，用于稳压调节；

整流滤波电路(72)，用于输出与外部总电源隔离的电压。

9.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：在所述隔离电源电路(70)的输入端与输出端之间依次连接的过压保护电路(230)和滤波电路(240)。

10.根据权利要求1所述的输入/输出隔离模块，其特征在于，还包括：与所述参考电源电路(80)相连接的过压保护电路(250)。

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