本发明涉及电子领域，具体涉及一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统。
背景技术：
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can通信等一些中长距离通信协议要求硬件电路实现通信信号的隔离传输；大功率电力电子装置中的开关器件驱动信号亦有隔离传输要求。传统的数字信号隔离传输装置主要分光耦合隔离方式和磁耦合隔离方式两类。
光耦合隔离一般要用到光耦器。光耦器的传输延迟时间比较大，功耗相对较大，与此同时带来了发热量较大的问题。此外，由于光耦器基于光电转换的原理，其本身存在工作温度低以及器件老化的问题，工作可靠性较差。
传统的磁耦合隔离方式需要用到变压器。由于变压器可以实现很高的隔离电压和较宽的工作温度范围且基本不存在老化问题，故其工作可靠性高。此外，磁耦合隔离还拥有传输延时小，支持高频率工作的优点。变压器信号隔离传输存在的问题主要体现在低频工作区和出现极端占空比时。理论上变压器隔离不能传输直流电平信号，低频工作时变压器容易饱和，为了适应低频工作需要变压器的体积往往很大，不易集成。当信号占空比偏离50％时，为了防止饱和，变压器原副边分别需要串联隔直电容，当占空比过大或过小时，单周期内高低电平传递的能量差距较大，需要大容量的隔直电容，这增加了数字信号隔离传输装置的体积和成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，以解决现有技术中导致的数字隔离器变压器体积大以及占空比限制大的缺陷。
一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，所述系统包括：
用于发出初始信号的信号发生模块；
与所述信号发生模块连接，用于阻抗匹配的缓冲模块；
与所述缓冲模块连接，将初始信号转变为调制信号的微分模块；
与所述微分模块连接，对调制信号进行传输的变压器模块；
与所述变压器模块连接，将调制信号进行解调处理得到最终信号的触发模块；
分别与所述变压器模块和所述触发模块连接，用于产生并发送预触发脉冲给所述触发模块的预触发模块；
以及与所述触发模块连接用于接收最终信号的信号接收模块。
进一步的，所述预触发模块通过或门与所述触发模块连接。
进一步的，所述缓冲模块包括缓冲器、运放型电压跟随器以及npn管射极跟随器中的一种或多种。
进一步的，所述微分模块为将初始信号调制为上升沿信号和下降沿信号的cr微分电路。
进一步的，所述变压器模块为将所述上升沿信号和所述下降沿信号进行分别传输的变压器。
进一步的，所述触发模块为将接收的上升沿信号和下降沿信号解调为与初始信号相同的最终信号的触发器。
进一步的，所述触发模块包括rs触发器、d触发器、jk触发器以及t触发器中的一种或多种。
本发明的优点在于：本发明所述的一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统：
1、可以实现高压隔离，低传导延迟时间和高可靠性；作为核心部件的变压器易于实现高压隔离且具有较高的工作温度范围，理论上无传导延迟时间；整个装置的传导延迟时间取决于缓冲模块、微分模块和解调模块，这些模块都能由低延迟时间的数字芯片实现；
2、最大的部件是变压器，但由于本发明所提方法中变压器只需要传递窄脉冲信号，大大缩小了对变压器容量的要求，可以使用小体积的脉冲变压器；
3、可以实现很宽的工作频率范围和占空比范围；工作频率范围和占空比范围受限于本发明所提方法中的边沿信号脉冲宽度，窄脉冲宽度越窄，工作频率范围和占空比范围越宽。
附图说明
图1为本发明中的系统结构示意图。
图2为本发明中的电路连接示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图2所示，一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，所述系统包括：
用于发出初始信号的信号发生模块；信号发出前需要用低通滤波器滤除信号上叠加的高频噪声，并对信号进行整形，使其成为标准的方波信号；
与所述信号发生模块连接，用于阻抗匹配的缓冲模块；信号发生模块的输出阻抗较大，带负载能力差，所传输的信号容易产生衰减。缓冲模块具有输入阻抗大，输出阻抗小的特性，一方面避免了输入信号的衰减，另一方面增强了输入信号的带负载能力；
与所述缓冲模块连接，将初始信号转变为调制信号的微分模块；
与所述微分模块连接，对调制信号进行传输的变压器模块；
与所述变压器模块连接，将调制信号进行解调处理得到最终信号的触发模块；
分别与所述变压器模块和所述触发模块连接，用于产生并发送预触发脉冲给所述触发模块的预触发模块；
以及与所述触发模块连接用于接收最终信号的信号接收模块。
在本实施例中，所述预触发模块通过或门与所述触发模块连接，或门由二极管d2、d3和电阻r3构成；变压器n3绕组和预触发模块输出的信号作用都是使触发模块的输出翻转为低电平，逻辑上是或的关系，使用或门连接可简化触发模块设计。
在本实施例中，所述缓冲模块包括缓冲器、运放型电压跟随器以及npn管射极跟随器中的一种或多种。
在本实施例中，所述微分模块为将初始信号调制为上升沿信号和下降沿信号的cr微分电路，电路可以是由电容c1和电阻r1组成的cr微分电路。
在本实施例中，所述变压器模块为将所述上升沿信号和所述下降沿信号进行分别传输的变压器。
在本实施例中，所述触发模块为将接收的上升沿信号和下降沿信号解调为与初始信号相同的最终信号的触发器。
在本实施例中，所述触发器包括rs触发器、d触发器、jk触发器以及t触发器中的一种或多种。
如图2所示的变频器开关器件栅极驱动器的pwm信号隔离传输器：
该设备的作用是将变频器控制器给出的pwm信号进行隔离传输，并将信号输出给栅极驱动器以驱动开关器件(igbt、mosfet等)。
pwm信号输入经过缓冲器输出给电容c1和电阻r1组成的cr微分电路，缓冲器起到阻抗匹配的作用；c1和电阻r1组成的cr微分电路将pwm信号调制为上升沿信号(正电平窄脉冲)和下降沿信号(负电平窄脉冲)；变压器t用于将上升沿信号和下降沿信号进行隔离传输；rs触发器将隔离传输的上升沿信号和下降沿信号解调为原先输入的pwm信号，其中上升沿信号通过同名端方向相同的绕组接到rs触发器s端，下降沿信号通过同名端方向相反的绕组接到rs触发器r端，pwm 与输入信号一致，pwm-与输入信号反相，电阻r2与电容c2构成预触发电路，电路开机时5v电源端由0v上升至5v，cr预触发电路对其进行微分运算产生一个预触发脉冲输出给rs触发器r端以确保开机时电路pwm 输出为低电平，各个元器件选用最佳参数值：
c1＝10pf；
r1＝10kω；
c2＝10uf；
r2＝10kω；
r3＝10kω；
二极管d1、d2、d3取1n4148；
微分电路时间常数为100ns，以三倍时间常数估算，电路可支持最高3.3mhz的工作频率，即该数字隔离器的工作频率范围为dc～3.3mhz。
工作过程及原理：
数字信号输入后首先要经过缓冲模块。由于数字信号源的带负载能力一般较差，故缓冲模块的主要作用是进行阻抗匹配和增加驱动能力。缓冲模块将数字信号再输出给微分模块。微分模块对数字信号uinput进行微分运算得到边沿脉冲信号upulse：
其中高于0电平的脉冲是上升沿信号，低于0电平的脉冲是下降沿信号。边沿脉冲信号通过小体积的脉冲变压器t进行隔离传输。
n1表示变压器t的原边绕组匝数，n2、n3表示变压器t的副边绕组匝数，其中n1与n2同名端相同，n1与n3同名端相反。变压器原边的增益为：
变压器副边的增益为：
由于变压器只需要传递窄脉冲信号，因此不需要具备很大的容量，选用小磁芯体积较小的脉冲变压器即可满足应用要求。二极管d1、d2的作用是单向导通阻断负压信号，所以n2通道只输出上升沿边沿信号，n3通道只输出下降沿边沿信号，实现了上升沿信息和下降沿信息的分离。
解调模块的作用是根据上升沿脉冲信号和下降沿脉冲信号还原输入的数字信号。当解调模块接收到上升沿脉冲时，模块输出翻转为高电平；当解调模块接收到下降沿脉冲时，模块输出翻转为低电平。上升沿信号和下降沿信号同时触发时解调模块会出现竞争冒险的问题，输出状态不确定，这个状态是错误的需要避免的，但是由于上升沿信号和下降沿信号本身都是窄脉冲信号，只要数字信号频率低于一定值不会出现该问题。故该数字信号隔离传输装置的工作频率上限取决于实际硬件实现时窄脉冲信号的宽度，窄脉冲信号的宽度越窄，数字信号隔离传输装置的最大工作频率越高，工作频率范围越宽。
当数字信号隔离传输装置开机后数字信号输入始终处于高电平或低电平时，没有上升沿信号与下降沿信号传递至副边，此时解调模块从开机后始终没有信号输入，其初始状态是未知的。为了给定解调模块开机低电平的初始状态，装置内加入了预触发模块，其功能是在开机的时候输出一个窄的脉冲信号给解调模块使其输出翻转为低电平。预触发模块的输出和变压器t的n3绕组输出通过一个或门接至解调模块，因此预触发模块输出的窄脉冲信号作用同下降沿信号，且预触发模块的输出与变压器输出的边沿脉冲信号互相不冲突。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
1.一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，其特征在于，所述系统包括：
用于发出初始信号的信号发生模块；
与所述信号发生模块连接，用于阻抗匹配的缓冲模块；
与所述缓冲模块连接，将初始信号转变为调制信号的微分模块；
与所述微分模块连接，对调制信号进行传输的变压器模块；
与所述变压器模块连接，将调制信号进行解调处理得到最终信号的触发模块；
分别与所述变压器模块和所述触发模块连接，用于产生并发送预触发脉冲给所述触发模块的预触发模块；
以及与所述触发模块连接用于接收最终信号的信号接收模块。
2.根据权利要求1所述的一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，其特征在于：所述预触发模块通过或门与所述触发模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，其特征在于：所述缓冲模块包括缓冲器、运放型电压跟随器以及npn管射极跟随器中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，其特征在于：所述微分模块为将初始信号调制为上升沿信号和下降沿信号的cr微分电路。
5.根据权利要求4所述的一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，其特征在于：所述变压器模块为将所述上升沿信号和所述下降沿信号进行分别传输的变压器。
6.根据权利要求1所述的一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，其特征在于：所述触发模块为将接收的上升沿信号和下降沿信号解调为与初始信号相同的最终信号的触发器。
7.根据权利要求6所述的一种小型化低传导延迟数字信号隔离传输系统，其特征在于：所述触发模块包括rs触发器、d触发器、jk触发器以及t触发器中的一种或多种。
技术总结