一種數(shù)字信號隔離器及其方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種數(shù)字信號隔離器及其方法。所述數(shù)字信號隔離器包括發(fā)送模塊和接收模塊，發(fā)送模塊用于將輸入信號轉(zhuǎn)換為兩個不同幅值的電壓信號同時將電壓信號通過變壓器方式發(fā)送給接收模塊，接收模塊用于將接收到的兩個不同幅值的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個相應脈沖寬度的輸出信號。所述方法：包括發(fā)送過程和接收過程，發(fā)送過程為檢測輸入信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生兩個不同大小的電壓信號；接收過程為發(fā)送過程的兩個不同大小的電壓信號通過變壓器產(chǎn)生的相應的感應電壓；相應的感應電壓通過放大、比較、整形產(chǎn)生輸出信號的上升沿和下降沿。本發(fā)明具有以下優(yōu)點：本發(fā)明無需對反脈沖進行特殊處理，從而提高了通訊速率。
【專利說明】
一種數(shù)字信號隔離器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子電路領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字信號隔離器及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高速和高質(zhì)量自動測試設備需求的增加，高速隔離通信接口是必需的。電子系統(tǒng)中，不同的集成電路芯片之間的數(shù)字信號和模擬信號需要進行交互傳遞，為了集成電路之間信號和電源互不干擾，這樣就要求集成電路之間有很高的電阻隔離特性。實現(xiàn)電子系統(tǒng)之間的隔離多采用光電耦合來實現(xiàn)，但其功耗、速度、隔離電壓等方面往往不能達到最優(yōu)。光電耦合的工作方式是輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出，這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換過程，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。其優(yōu)點是信號單向傳輸，具有較高的隔離電壓和抗干擾能力;其缺點也比較明顯，速度不會特別快，LED功耗較大，工作時間較長LED很容易老化。
[0003]由于光耦的種種缺點，工業(yè)界研發(fā)了基于高壓電容和變壓器的隔離通訊接口，但因高壓電容的隔離電壓有限，變壓器隔離通訊作為主流研究方向。目前基于變壓器的隔離通訊接口有幾種調(diào)制方式:置位復位調(diào)制、幅度調(diào)制、脈沖技術(shù)調(diào)制和脈沖極性調(diào)制。傳輸速率方面以置位復位調(diào)制和脈沖極性調(diào)制為優(yōu)，但是置位復位調(diào)制方式需要兩個變壓器來傳輸信號，而脈沖極性調(diào)制僅僅需要一個變壓器。但是脈沖極性調(diào)制方式在實現(xiàn)過程中會產(chǎn)生反向脈沖，這種反向脈沖對脈沖極性調(diào)制來說是致命的，需要對反向脈沖進行抑制，這樣會降低通訊速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提出了基于脈沖幅度的調(diào)制方式的一種數(shù)字信號隔離器及其方法。通過脈沖幅度調(diào)制產(chǎn)生不同幅度的脈沖用于指示輸入信號的上升沿或下降沿。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]—種數(shù)字信號隔離器，包括發(fā)送模塊和接收模塊;發(fā)送模塊包括正相邊沿檢測模塊、反相邊沿檢測模塊、非重疊邏輯控制模塊、電流產(chǎn)生電路模塊、主線圈NI以及邏輯門電路非門U15和與門U16;輸入信號IN分別連接正相邊沿檢測模塊的輸入IN和反相邊沿檢測模塊的輸入IN;正相邊沿檢測模塊的輸出OUT連接非重疊邏輯控制模塊的輸入IN;反相邊沿檢測模塊的輸出OUT通過非門Ul 5連接與門U16的一個輸入端;非重疊邏輯控制模塊的一個輸出端OUTl作為信號SP連接電流產(chǎn)生電路模塊的輸入SP;非重疊邏輯控制模塊的另一個輸出端0UT2連接與門U16的另一個輸入端;與門U16的輸出端作為信號SN連接電流產(chǎn)生電路模塊的輸入SN;電流產(chǎn)生電路模塊的輸出連接主線圈NI的一端，主線圈NI的另一端接地gndl;
[0007]接收模塊包括次線圈N2、高通濾波器模塊、信號放大電路模塊、比較電路模塊和波形處理電路模塊;次線圈N2產(chǎn)生的電壓通過高通濾波器模塊濾波后輸入給信號放大電路模塊，信號放大電路模塊將放大后的信號輸入給比較電路模塊，比較電路模塊的輸入給波形處理電路模塊，信號經(jīng)波形處理電路模塊處理后作為輸出out。
[0008]為了增大信號SP和信號SN的驅(qū)動能力:
[0009]優(yōu)選的，發(fā)送模塊還包括緩沖器U17和緩沖器U18;非重疊邏輯控制模塊中與門U13的輸出通過緩沖器U17作為信號SP連接電流產(chǎn)生電路模塊;與門U16的輸出通過緩沖器U18作為信號SN連接電流產(chǎn)生電路模塊。
[0010]優(yōu)選的，所述正相邊沿檢測模塊包括與非門Ull和第一延時單元;輸入IN連接與非門Ul I的一個輸入端;輸入IN通過第一延時單元連接與非門Ul I的另一個輸入端;與非門Ul I的輸出端作為正相邊沿檢測模塊的輸出端OUT。
[0011]優(yōu)選的，所述反相邊沿檢測模塊包括或非門U12和第二延時單元;輸入IN連接或非門U12的一個輸入端;輸入IN通過第二延時單元連接或非門U12的另一個輸入端;或非門U12的輸出端作為反相邊沿檢測模塊的輸出端OUT。
[0012]進一步優(yōu)選的:第一延時單元或第二延時單元為串聯(lián)的非門邏輯電路RC延時電路。
[0013]優(yōu)選的，所述非重疊邏輯控制模塊包括與門U13和或門U14;非重疊邏輯控制模塊的輸入IN分別連接與門U13和或門U14的一個輸入端;與門U13和或門U14交叉耦合;與門U13的輸出端作為非重疊邏輯控制模塊的一個輸出端OUTl;或門U14的輸出端作為非重疊邏輯控制模塊的另一個輸出端0UT2。
[0014]為了使電流產(chǎn)生電路模塊產(chǎn)生不同的輸出電流I1:
[0015]優(yōu)選的，所述電流產(chǎn)生電路模塊包括電流源IP、電流源IN以及開關(guān)Kl和開關(guān)K2;輸入信號SP通過開關(guān)Kl控制電流源IP的接入狀態(tài)、輸入信號SN通過開關(guān)K2控制電流源IN的接入狀態(tài)。
[0016]進一步優(yōu)選的，所述電流產(chǎn)生電路模塊中所述電流源IP、電流源IN為不同尺寸MOS管MPI和MP2; MPI和MP2的源級共同連接電源vddI; MPI的柵極接信號SP，MP2的的柵極接信號SN; MPI和MP2的漏極共同接輸出端11。
[0017]更進一步優(yōu)選的，所述電流產(chǎn)生電路模塊中還包括MOS管MP3和MNl、電阻Rl ;MP1和MP2的漏極共同連接MP3的源級，MP3的漏極接輸出端11，同時MP3的柵極接信號SN;輸出端11通過電阻Rl連接NMOS管MNl的漏極，MNl的源級連接地gndl ,MNl的柵極連接信號SN。
[0018]優(yōu)選的:所述高通濾波器模塊包括電容CfiI和電阻Rf iI;輸入端接電容Cf iI的一端，電容Cf iI的一端的另一端與電阻Rf iI的一端相連接作為輸出端out ；電阻Rf i I的另一端接bias ο
[0019]優(yōu)選的:所述信號放大電路模塊為共源級放大電路、共漏極放大電路或者差分運算放大器。
[0020]進一步優(yōu)選的:所述信號放大電路模塊為共源級放大電路;信號放大電路包括MOS管MN21和電阻R21、輸入Vin接MN21的柵極，MN21的源級接地gnd2，MN21的漏極接電阻R21的一端，同時MN21的漏極與電阻R21鏈接的一端作為輸出端Vout、電阻R21的另一端接電源vdd20
[0021]優(yōu)選的:所述比較電路模塊根據(jù)放大電路模塊的輸出信號的電壓值與所設置的兩個閾值的大小的不同，產(chǎn)生兩個比較輸出值。
[0022]進一步優(yōu)選的:所述比較電路模塊包括兩個比較器:第一比較器和第二比較器、還包括用于產(chǎn)生閾值的分壓電阻:電阻R22、電阻R23和電阻R24。具體連接關(guān)系為:從電源vdd2到地gnd2電阻R22、電阻R23和電阻R24依次串聯(lián)；電阻R22和電阻R23相連的一端接第一比較器的正相輸入端；電阻R23和電阻R24相連的一端接第二比較器的正相輸入端；電阻R22和電阻R23相連的一端的分壓值為VrefH、電阻R23和電阻R24相連的一端的分壓值為VrefL。輸入Vin連接第一比較器的反相輸入端和第二比較器的反相輸入端。第一比較器的輸出端為輸出信號VPL、第二比較器的輸出端為輸出信號VPH。
[0023]所述波形處理電路模塊包括異或門U21、D觸發(fā)器U22、緩沖器U23以及第三延遲單元;輸入信號VPL接異或門U21的一個輸入端;輸入信號VPH接異或門U21的另一個輸入端；同時輸入信號VPH通過第三延遲單元延遲后的信號Vd接D觸發(fā)器U22的數(shù)據(jù)端D;異或門U21的輸出端輸出的信號Vck接D觸發(fā)器U22的時鐘端clk;D觸發(fā)器U22的輸出端Q接緩沖器U23的輸入端;緩沖器U23的輸出端為波形處理電路模塊的輸出端OUT。
[0024]為了使信號放大電路模塊工作在合適的靜態(tài)工作點，因此需要偏置電壓。
[0025]優(yōu)選的:所述偏置電路模塊包括MOS管麗22和電流源121;麗22采用二極管連接方式，M N 2 2的漏極接電流源121的一端；電流源121的另一端接電源V d d 2 ; M N 2 2的源級接地gnd2;MN22的柵極為偏置電壓信號端Vbias。
[0026]一種數(shù)字信號隔離方法:
[0027]包括發(fā)送過程和接收過程，所述發(fā)送過程為:檢測輸入信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生兩個不同大小的電壓信號;接收過程為:發(fā)送過程的兩個不同大小的電壓信號通過變壓器產(chǎn)生的相應的感應電壓;相應的感應電壓通過放大、比較、整形產(chǎn)生輸出信號的的上升沿和下降沿。
[0028]優(yōu)選的，所述發(fā)送過程包括如下步驟:
[0029]步驟Sll，檢測到輸入信號的上升沿時;生成電流產(chǎn)生第一控制脈沖信號和電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號；
[0030]步驟S12，電流產(chǎn)生第一控制脈沖信號和電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號控制電流產(chǎn)生模塊生成第一電流值；
[0031]步驟S13，第一電流值在主送線圈上產(chǎn)生第一發(fā)送電壓值；
[0032]步驟S14，檢測到輸入信號的下降沿時，生成電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號；
[0033]步驟S15，電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號控制電流產(chǎn)生模塊生成第二電流值;第二電流值小于第一電流值；
[0034]步驟S16，第二電流值在主線圈上產(chǎn)生第二發(fā)送電壓值；
[0035]優(yōu)選的，所述接收過程包括如下步驟:
[0036]步驟S21，由主線圈上產(chǎn)生第一發(fā)送電壓值在次線圈上產(chǎn)生第一接收電壓值。
[0037]步驟S22，第一接收電壓值經(jīng)濾波和放大后產(chǎn)生第一放大信號；
[0038]步驟S23，第一放大信號經(jīng)第一比較器和第二比較器分別輸出脈沖信號VPL和VPH。[0039 ] 步驟S24，脈沖信號VPL和VPH通過波形整形電路生成輸出信號的上升沿；
[0040]步驟S25，由主線圈上產(chǎn)生第二發(fā)送電壓值產(chǎn)生在次線圈上產(chǎn)生第二接收電壓值；
[0041]步驟S26，第二接收電壓值經(jīng)濾波和放大后產(chǎn)生第二放大信號；
[0042]步驟S27，第二放大信號經(jīng)第一比較器輸出脈沖信號VPL;
[0043]步驟S28，脈沖信號VPL通過波形整形電路生成輸出信號的下降沿。
[0044]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明無需對反脈沖進行特殊處理，從而提高了通訊速率。同時本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單，較容易實現(xiàn);具有較高的共模電壓抑制能力。
【附圖說明】
[0045]圖1本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送模塊框圖。
[0046]圖2本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送模塊框圖。
[0047]圖3本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的正相邊沿檢測模塊電路圖。
[0048]圖4本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的反相邊沿檢測模塊電路圖。
[0049]圖5本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的非重疊邏輯控制模塊電路圖。
[0050]圖6本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的電流產(chǎn)生電路模塊框圖。
[0051]圖7本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的電流產(chǎn)生電路模塊具體實施例之一。
[0052]圖8本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的電流產(chǎn)生電路模塊具體實施例之二。
[0053]圖9本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送模塊具體實施例之一。
[0054]圖10本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送模塊信號波形圖。
[0055]圖11本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的接收模塊框圖。
[0056]圖12本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的高通濾波器模塊電路圖。
[0057]圖13本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的信號放大電路模塊電路圖。
[0058]圖14本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的比較電路模塊電路圖。
[0059]圖15本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的波形處理電路模塊電路圖。
[0060]圖16本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的偏置電路模塊電路圖。
[0061]圖17本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的接收模塊具體實施例之一。
[0062]圖18本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的接收模塊信號波形圖。
[0063]圖19本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送、接收模塊信號對照波形圖。
【具體實施方式】
[0064]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細、完整地說明。
[0065]如圖1本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的框圖所示。由圖1可知，本發(fā)明數(shù)字信號隔離器包括發(fā)送模塊以及相對應的接收模塊(見圖1中虛線部分)。發(fā)送模塊用于將輸入信號轉(zhuǎn)換為兩個不同幅值的電壓信號同時將電壓信號通過變壓器方式發(fā)送給接收模塊，接收模塊用于將接收到的兩個不同幅值的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個相應脈沖寬度的輸出信號。發(fā)送模塊和接收模塊分別有各自的電源和地。
[0066]如圖2本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送模塊框圖所示。由圖1可知，發(fā)送模塊包括正相邊沿檢測模塊、反相邊沿檢測模塊、非重疊邏輯控制模塊、電流產(chǎn)生電路模塊、以及變壓器的主線圈NI以及邏輯門電路。這里的邏輯門電路指非門U15和與門U16。輸入信號IN分別連接正相邊沿檢測模塊的輸入IN和反相邊沿檢測模塊的輸入IN;正相邊沿檢測模塊的輸出OUT連接非重疊邏輯控制模塊的輸入IN;反相邊沿檢測模塊的輸出OUT通過非門U15連接與門U16的一個輸入端;非重疊邏輯控制模塊的一個輸出端OUTl作為信號SP連接電流產(chǎn)生電路模塊的輸入SP;非重疊邏輯控制模塊的另一個輸出端0UT2連接與門U16的另一個輸入端；與門U16的輸出端作為信號SN連接電流產(chǎn)生電路模塊的輸入SN。電流產(chǎn)生電路模塊的輸出電流Il流過主線圈NI，即電流產(chǎn)生電路模塊的輸出連接主線圈NI的一端，主線圈NI的另一端接地gndl。正相邊沿檢測模塊和反相邊沿檢測模塊用于產(chǎn)生短脈沖信號；非重疊邏輯控制模塊用于產(chǎn)生非重疊的控制信號；電流產(chǎn)生電路模塊用于產(chǎn)生不同大小值的電流。
[0067]下面具體介紹發(fā)送模塊中各個字模塊。
[0068]正相邊沿檢測模塊:
[0069]如圖3本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的正相邊沿檢測模塊電路圖所示。由圖3可知，輸入IN連接與非門Ul I的一個輸入端;輸入IN通過第一延時單元連接與非門Ul I的另一個輸入端(即:輸入IN連接第一延時單元的輸入端，第一延時單元的輸出端連接與非門UlI的另一個輸入端)。與非門Ull的輸出端作為正相邊沿檢測模塊的輸出端OUT。這里的第一延時單元起延時的作用，實際中可以有多種實現(xiàn)形式。例如可以串聯(lián)的非門邏輯電路、也可以為RC延時電路等。
[0070]反相邊沿檢測模塊:
[0071]如圖4本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的反相邊沿檢測模塊電路圖所示。由圖4可知，輸入IN連接或非門U12的一個輸入端;輸入IN通過第二延時單元連接或非門U12的另一個輸入端(即:輸入IN連接第二延時單元的輸入端，第二延時單元的輸出端連接或非門的另一個輸入端)?；蚍情TU12的輸出端作為反相邊沿檢測模塊的輸出端OUT。與第一延時單元類似:同樣的，這里的第二延時單元起延時的作用，實際中可以有多種實現(xiàn)形式;例如可以串聯(lián)的非門邏輯電路、也可以為RC延時電路等。
[0072]非重疊邏輯控制模塊:
[0073]如圖5本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的非重疊邏輯控制模塊電路圖所示。非重疊邏輯控制模塊的作用是用于產(chǎn)生非重疊的控制信號。非重疊邏輯控制模塊類似為一個RS觸發(fā)器。由圖5可知，非重疊邏輯控制模塊的輸入IN分別連接與門U13和或門U14的一個輸入端;與門U13和或門U14交叉耦合，S卩:與門U13的輸出端連接或門U14的另一個輸入端；或門U14的輸出端連接與門U13的另一個輸入端；同時，與門U13的輸出端作為非重疊邏輯控制模塊的一個輸出端OUTl;或門U14的輸出端作為非重疊邏輯控制模塊的另一個輸出端0UT2。
[0074]電流產(chǎn)生電路模塊:
[0075]電流產(chǎn)生電路模塊的作用是通過前述電路產(chǎn)生的SP或SN信號的控制，產(chǎn)生不同的輸出電流II。電流產(chǎn)生電路模塊可以理解為SP或SN分別控制不同的電流的接入。如圖6本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的電流產(chǎn)生電路模塊框圖所示，由圖6可知，輸入信號SP通過開關(guān)Kl控制電流源IP的接入狀態(tài)、輸入信號SN通過開關(guān)K2控制電流源IN的接入狀態(tài)，S卩:當SP控制的開關(guān)Kl閉合時，電流產(chǎn)生電路模塊的輸出為電流源IP ；當SN控制的開關(guān)K2閉合時，電流產(chǎn)生電路模塊的輸出為電流源IN。這里電流源IN和電流源IP的值(大小)不一樣。具體的，電流源IP可以為電流源IN大小的兩倍或者其他比例關(guān)系。
[0076]前述信號SP或信號SN通過控制不同尺寸MOS管的接入狀態(tài)即可實現(xiàn)不同電流的輸出。如圖7本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的電流產(chǎn)生電路模塊具體實施例之一所示。由圖7可知，MOS管MPl和MP2的尺寸是不一樣的，用于產(chǎn)生不同的電流。MPl和MP2的源級共同連接電源vdd I; MPI的柵極接信號SP，MP2的的柵極接信號SN; MPI和MP2的漏極共同接輸出端11。這里的MPl和MP2為PMOS管，即當信號SP為低電平MPl導通，MPl產(chǎn)生的電流源IP通過輸出端Il流出；信號SN為低電平時MP2導通，MP2產(chǎn)生的電流源IN通過輸出端11流出。電流源IP和電流源IN的大小由MPl和MP2的尺寸決定。
[0077]如圖8本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的電流產(chǎn)生電路模塊具體實施例之二所示。相比較圖7所示而言，圖8為電流產(chǎn)生電路模塊的更為優(yōu)化的一種方式。與圖7所示相比圖8增加了額外的MOS管和電阻;MPI和MP2的漏極共同連接PMOS管MP3的源級，MP3的漏極接輸出端11，同時MP3的柵極接信號SN，MOS管MP3在這里起開關(guān)的作用。這樣做的目的是:當信號SN和信號SP同時為低電平時，MPI才能產(chǎn)生電流源IP并通過MP3流到輸出端11。因為輸出端11接主線圈NI的一端，為了使主線圈NI在沒有驅(qū)動次線圈N2時更好的泄放電流，輸出端Il通過電阻Rl連接NMOS管MNl的漏極，MNl的源級連接地gndl ,MNl的柵極連接信號SN。
[0078]發(fā)送模塊具體實施例:
[0079]結(jié)合前述介紹的發(fā)送模塊的各個子模塊，下面介紹說明發(fā)送模塊的一種實現(xiàn)方式。如圖9本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送模塊具體實施例之一所示。由圖9可知，發(fā)送模塊在前述子模塊的連接關(guān)系上增加了緩沖器U17和緩沖器U18。具體連接關(guān)系為:非重疊邏輯控制模塊中與門U13的輸出通過緩沖器U17作為信號SP連接電流產(chǎn)生電路模塊;與門U16的輸出通過緩沖器U18作為信號SN連接電流產(chǎn)生電路模塊。增加上述緩沖器的好處是能夠增大信號SP和信號SN的驅(qū)動能力，從而能夠驅(qū)動更大或者更多的MOS管(例如尺寸更大的MPl或MP2等)。
[0080]為了更加清楚的描述發(fā)送模塊，結(jié)合信號波形圖進行說明。如圖10本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送模塊信號波形圖所示。由圖10可知，輸入信號IN從低到高變化時，正相邊沿檢測模塊產(chǎn)生的短脈沖信號，這個脈沖信號將生成兩個非重疊信號SP和SN。信號SP和信號SN同時為低電平時，電流產(chǎn)生電路模塊中產(chǎn)生電流的MOS管MPl和MP2全部導通，此時產(chǎn)生的電流Il最大(即:圖6中開關(guān)Kl和開關(guān)K2全部閉合，電流源IP和電流源IN全部接入)。
[0081]輸入信號IN由高向低變化時，通過反相邊沿檢測模塊產(chǎn)生短脈沖信號SN。低電平的SN信號使關(guān)閉MOS管MP2導通，同時高電平的SP信號使MOS管MPI關(guān)閉。此時電流產(chǎn)生電路模塊中產(chǎn)生的電流Il較小(即:圖6中開關(guān)Kl斷開，開關(guān)K2全部閉合，電流源IN接入)。不同的大小的電流Il流過線圈NI時產(chǎn)生不同的電壓VI，即兩個不同大小的電流Il流過主線圈NI時產(chǎn)生的電壓Vl為兩個不同的電壓值(幅值)的脈沖信號。作為次線圈N2從而產(chǎn)生的不同的電壓V2，即電壓V2也為兩個不同的電壓值(幅值)的脈沖信號。
[0082]依據(jù)前述描述及其發(fā)送模塊信號波形圖，對于本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送過程可以理解為:檢測輸入信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生兩個不同大小的電壓信號。
[0083]上述發(fā)送過程具體可以采用如下步驟:
[0084]步驟Sll，檢測到輸入信號的上升沿(由低電平變?yōu)楦唠娖?時;生成電流產(chǎn)生第一控制脈沖信號(這里為SP)和電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號(這里為SN);
[0085]步驟S12，電流產(chǎn)生第一控制脈沖信號和電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號控制電流產(chǎn)生模塊生成第一電流值；
[0086]第一電流值為電流值較大的電流。這里的較大是指:第一電流值大于后面所述的第二電流值。
[0087]步驟S13，第一電流值在主送線圈上產(chǎn)生第一發(fā)送電壓值；
[0088]第一發(fā)送電壓值為電壓值較大的電壓。這里的較大是指:第一發(fā)送電壓值大于后面所述的第二發(fā)送電壓值。
[0089]步驟S14，檢測到輸入信號的下降沿(由高電平變?yōu)榈碗娖?時;生成電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號(這里為SN);
[0090]步驟S15，電流產(chǎn)生第二控制脈沖信號控制電流產(chǎn)生模塊生成第二電流值；
[0091]第二電流值為電流值較小的電流;這里的較小是指:第二電流值小于第一電流值。
[0092]步驟S16，第二電流值在主線圈上產(chǎn)生第二發(fā)送電壓值;第二發(fā)送電壓值為電壓值較小的電壓。
[0093]這里的較小是指:第二發(fā)送電壓值小于第一發(fā)送電壓值。
[0094]與發(fā)送模塊相對應的還有接收模塊，如圖11本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的接收模塊框圖所示。由圖11可知，接收模塊包括次線圈N2、高通濾波器模塊、信號放大電路模塊、比較電路模塊和波形處理電路模塊。同時為了使信號放大電路工作工作在合適的靜態(tài)工作點，還包括偏置電路模塊。次線圈N2產(chǎn)生的電壓通過高通濾波器模塊濾波后輸入給信號放大電路模塊，信號放大電路模塊將放大后的信號輸入給比較電路模塊，比較電路模塊的輸入給波形處理電路模塊，信號經(jīng)波形處理電路模塊處理后作為輸出out。需要說明的是接收模塊中的電源和地與發(fā)送模塊的電源和地不同。這里接收模塊中的電源和地分別為vdd2和gnd2。
[0095]下面具體介紹接收模塊中各個字模塊。
[0096]高通濾波器模塊:
[0097]高通濾波器模塊的作用是濾除V2中的低頻噪聲，以便后續(xù)電路處理。這里的高通濾波器為通用的結(jié)構(gòu)。如圖12本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的高通濾波器模塊電路圖所示。由圖12可知:包括電容Cfil和電阻Rfil。輸入端接電容Cfil的一端，電容Cfil的一端的另一端與電阻Rf iI的一端相連接作為輸出端out ；電阻Rf iI的另一端接bias。需要說明的是具體連接中bias接偏置電路模塊，偏置模塊提供的偏置電壓通過高通濾波器的輸出端out接到信號放大電路模塊；
[0098]信號放大電路模塊:
[0099]信號放大電路模塊的作用是，將電壓信號進行放大，以滿足比較電路的需要。因此信號放大電路模塊中的放大器可以為多種類型，只要能滿足電壓信號放大即可。具體可以為共源級放大電路、共漏極放大電路或者也可以為差分運算放大器。這里與最簡單的共源級放大器為例進行介紹說明。如圖13本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的信號放大電路模塊電路圖所示。由圖13可知:信號放大電路包括MOS管MN21和電阻R21、輸入Vin接MN21的柵極，MN21的源級接地gnd2，MN21的漏極接電阻R21的一端，同時MN21的漏極與電阻R21鏈接的一端作為輸出端Vout、電阻R21的另一端接電源vdd2。
[0100]比較電路模塊:
[0101]比較電路模塊的作用是用于對信號放大電路模塊的輸出信號進行檢測，根據(jù)放大電路模塊的輸出信號的電壓值與所設置的兩個閾值的大小的不同，產(chǎn)生兩個比較輸出值。如圖14本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的比較電路模塊電路圖所示。由圖14可知:比較電路模塊包括兩個比較器:第一比較器和第二比較器、還包括用于產(chǎn)生閾值的分壓電阻:電阻R22、電阻R23和電阻R24。具體連接關(guān)系為:從電源vdd2到地gnd2電阻R22、電阻R23和電阻R24依次串聯(lián)；電阻R22和電阻R23相連的一端接第一比較器的正相輸入端；電阻R23和電阻R24相連的一端接第二比較器的正相輸入端；電阻R22和電阻R23相連的一端的分壓值為VrefH、電阻R23和電阻R24相連的一端的分壓值為VrefL。輸入Vin連接第一比較器的反相輸入端和第二比較器的反相輸入端。第一比較器的輸出端為輸出信號VPL、第二比較器的輸出端為輸出信號 VPH。
[0102]波形處理電路模塊:
[0103]波形處理電路模塊的作用是:用于生成與發(fā)送模塊的輸入信號IN類似的輸出信號。如圖15本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的波形處理電路模塊電路圖所示。由圖15可知:波形處理電路模塊包括異或門U21、D觸發(fā)器U22、緩沖器U23以及第三延遲單元。具體連接關(guān)系是:輸入信號VPL接異或門U21的一個輸入端;輸入信號VPH接異或門U21的另一個輸入端；同時輸入信號VPH通過第三延遲單元延遲后的信號Vd接D觸發(fā)器U22的數(shù)據(jù)端D;異或門U21的輸出端輸出的信號Vck接D觸發(fā)器U22的時鐘端clk;D觸發(fā)器U22的輸出端Q接緩沖器U23的輸入端;緩沖器U23的輸出端為波形處理電路模塊的輸出端OUT。
[0104]偏置電路模塊:
[0105]為了使信號放大電路模塊工作在合適的靜態(tài)工作點，因此需要偏置電壓。偏置電路模塊的作用就是給信號放大電路模塊提供偏置電壓。如圖16本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的偏置電路模塊電路圖所示。由圖16可知:偏置電路模塊包括MOS管MN22和電流源121。具體連接關(guān)系是:MN22采用二極管連接方式(柵極和漏極相連)，MN22的漏極接電流源121的一端；電流源121的另一端接電源vdd2;MN22的源級接地gnd2;MN22的柵極為偏置電壓信號端Vbias。
[0106]結(jié)合前述介紹的接收模塊的各個子模塊，下面介紹說明接收模塊的具體實現(xiàn)方式。
[0107]接收模塊的具體實施例之一:
[0108]如圖16本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的接收模塊具體實施例之一所示。由圖16可知，所示為前述模塊的具體連接。需要強調(diào)的是這里的高通濾波器模塊中的bias信號直接連接偏置電路模塊的Vbias端，偏置模塊提供的偏置電壓通過高通濾波器的輸出端out接到信號放大電路模塊。另外，在這個實施例中在信號放大電路模塊的輸入端與地gnd2之間連接了調(diào)節(jié)電容Ctune，調(diào)節(jié)電容Ctune的作用是:用于調(diào)整經(jīng)過變壓器耦合來的電壓信號幅度，同時用于濾除輸入端的共模噪聲信號。這里的調(diào)節(jié)電容Ctune并不是必須的。
[0109]為了更加清楚的描述接收模塊，結(jié)合信號波形圖進行說明。如圖18本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的接收模塊信號波形圖所示。由圖18可知，由前述發(fā)送模塊的主線圈NI的電壓Vl經(jīng)次線圈N2產(chǎn)生的電壓V2;電壓V2為兩個不同幅值的脈沖信號。電壓V2通過高通濾波器模塊后疊加偏置模塊提供的偏置電壓(如:圖18中所示的DC電壓值，可以為0.8V)產(chǎn)生信號放大電路模塊的輸入信號Vin。信號Vin經(jīng)信號放大電路模塊放大后產(chǎn)生信號Vout。信號Vout的兩個不同的幅值的脈沖通過比較器電路模塊處理后產(chǎn)生電壓VPL和電壓VPiLiSVPHg第三延遲單元延遲AT之后成為信號Vd，異或門U21的輸出端輸出的信號Vck，信號Vd和信號Vck輸入給D觸發(fā)器U22后，在D觸發(fā)器U22的輸出端Q經(jīng)緩沖器U23后就得到輸出信號OUT。
[0110]依據(jù)前述描述及其接收模塊信號波形圖，對于本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的接收過程可以理解為:發(fā)送過程的兩個不同大小的電壓信號通過變壓器產(chǎn)生的相應的感應電壓；相應的感應電壓通過放大、比較、整形產(chǎn)生輸出信號的的上升沿和下降沿。
[0111]上述接收過程具體可以采用如下步驟:
[0112]步驟S21，由主線圈上產(chǎn)生第一發(fā)送電壓值在次線圈上產(chǎn)生第一接收電壓值。
[0113]步驟S22，第一接收電壓值經(jīng)濾波和放大后產(chǎn)生第一放大信號(即圖18中Vout的第一個反相波谷電壓)。
[0114]步驟S23，第一放大信號經(jīng)第一比較器和第二比較器分別輸出脈沖信號VPL和VPH。
[0115]步驟S24，脈沖信號VPL和VPH通過波形整形電路生成輸出信號的上升沿。
[0116]步驟S25，由主線圈上產(chǎn)生第二發(fā)送電壓值產(chǎn)生在次線圈上產(chǎn)生第二接收電壓值。
[0117]步驟S26，第二接收電壓值經(jīng)濾波和放大后產(chǎn)生第二放大信號(即圖18中Vout的第二個反相波谷電壓)。
[0118]步驟S27，第二放大信號經(jīng)第一比較器輸出脈沖信號VPL。
[0119]步驟S28，脈沖信號VPL通過波形整形電路生成輸出信號的下降沿。對于信號經(jīng)過本發(fā)明的數(shù)字信號隔離器處理后的效果，如圖19本發(fā)明數(shù)字信號隔離器的發(fā)送、接收模塊信號對照波形圖所示。由圖18可知，輸入信號IN與輸出信號OUT的波形類似，之間有一定的傳播延時。
[0120]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明無需對反脈沖進行特殊處理，從而提高了通訊速率。同時本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單，較容易實現(xiàn);具有較高的共模電壓抑制能力。
【主權(quán)項】
1.一種數(shù)字信號隔離器，其特征在于:包括發(fā)送模塊和接收模塊;發(fā)送模塊包括正相邊沿檢測模塊、反相邊沿檢測模塊、非重疊邏輯控制模塊、電流產(chǎn)生電路模塊、主線圈NI以及邏輯門電路非門U15和與門U16;輸入信號IN分別連接正相邊沿檢測模塊的輸入IN和反相邊沿檢測模塊的輸入IN;正相邊沿檢測模塊的輸出OUT連接非重疊邏輯控制模塊的輸入IN;反相邊沿檢測模塊的輸出OUT通過非門U15連接與門U16的一個輸入端;非重疊邏輯控制模塊的一個輸出端OUTl作為信號SP連接電流產(chǎn)生電路模塊的輸入SP;非重疊邏輯控制模塊的另一個輸出端0UT2連接與門U16的另一個輸入端;與門U16的輸出端作為信號SN連接電流產(chǎn)生電路模塊的輸入SN;電流產(chǎn)生電路模塊的輸出連接主線圈NI的一端，主線圈NI的另一端接地gndl； 接收模塊包括次線圈N2、高通濾波器模塊、信號放大電路模塊、比較電路模塊和波形處理電路模塊;次線圈N2產(chǎn)生的電壓通過高通濾波器模塊濾波后輸入給信號放大電路模塊，信號放大電路模塊將放大后的信號輸入給比較電路模塊，比較電路模塊的輸入給波形處理電路模塊，信號經(jīng)波形處理電路模塊處理后作為輸出out。2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述正相邊沿檢測模塊包括與非門Ul I和第一延時單元;輸入IN連接與非門Ul I的一個輸入端;輸入IN通過第一延時單元連接與非門Ull的另一個輸入端;與非門Ull的輸出端作為正相邊沿檢測模塊的輸出端OUT。3.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述反相邊沿檢測模塊包括或非門U12和第二延時單元;輸入IN連接或非門U12的一個輸入端;輸入IN通過第二延時單元連接或非門U12的另一個輸入端;或非門U12的輸出端作為反相邊沿檢測模塊的輸出端OUT。4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述非重疊邏輯控制模塊包括與門U13和或門U14;非重疊邏輯控制模塊的輸入IN分別連接與門U13和或門U14的一個輸入端;與門U13和或門U14交叉耦合;與門U13的輸出端作為非重疊邏輯控制模塊的一個輸出端OUTl;或門U14的輸出端作為非重疊邏輯控制模塊的另一個輸出端0UT2。5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述電流產(chǎn)生電路模塊包括電流源IP、電流源IN以及開關(guān)Kl和開關(guān)K2;輸入信號SP通過開關(guān)Kl控制電流源IP的接入狀態(tài)、輸入信號SN通過開關(guān)K2控制電流源IN的接入狀態(tài)。6.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述高通濾波器模塊包括電容Cfil和電阻Rfil;輸入端接電容Cfil的一端，電容Cfil的一端的另一端與電阻Rfil的一端相連接作為輸出端out ；電阻Rf iI的另一端接bias。7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述信號放大電路模塊為共源級放大電路、共漏極放大電路或者差分運算放大器。8.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述比較電路模塊根據(jù)放大電路模塊的輸出信號的電壓值與所設置的兩個閾值的大小的不同，產(chǎn)生兩個比較輸出值。9.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號隔離器，其特征在于:所述波形處理電路模塊包括異或門U21、D觸發(fā)器U22、緩沖器U23以及第三延遲單元;輸入信號VPL接異或門U21的一個輸入端;輸入信號VPH接異或門U21的另一個輸入端；同時輸入信號VPH通過第三延遲單元延遲后的信號Vd接D觸發(fā)器U22的數(shù)據(jù)端D;異或門U21的輸出端輸出的信號Vck接D觸發(fā)器U22的時鐘端clk;D觸發(fā)器U22的輸出端Q接緩沖器U23的輸入端;緩沖器U23的輸出端為波形處理電路模塊的輸出端OUT。10.一種數(shù)字信號隔離方法，其特征在于:包括發(fā)送過程和接收過程，所述發(fā)送過程為:檢測輸入信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生兩個不同大小的電壓信號;接收過程為:發(fā)送過程的兩個不同大小的電壓信號通過變壓器產(chǎn)生的相應的感應電壓;相應的感應電壓通過放大、比較、整形產(chǎn)生輸出信號的的上升沿和下降沿。
【文檔編號】H03K19/0175GK105897251SQ201610343605
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張啟東
【申請人】西安矽源半導體有限公司