CN201886055U - 全量程高线性度模拟信号隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全量程高线性度模拟信号隔离电路，包括输入驱动电路，隔离电路和输出缓冲电路，待测模拟信号接到所述的输入驱动电路的反相输入端，输入驱动电路的输出端串接到隔离电路的输入端，隔离电路的第一反馈输出端接到输入驱动电路的反相输入端，隔离电路的第二输出端串接到输出缓冲电路的反相输入端。本实用新型具有体积小、成本低、电路简单、精度高、可大规模应用，同时具有良好稳定性、线性度和带宽，可对输入模拟信号进行全量程隔离测试的特点,广泛应用在数据通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制（变换器的隔离、热电偶的隔离）等方面。

Description

全量程高线性度模拟信号隔离电路

技术领域

本实用新型涉及一种电路，特别是扩大对于批量模拟信号进行输入电气隔离的全量程高线性度模拟信号隔离电路。

背景技术

在测量***中，为了更准确的测试待测模拟信号的特性，避免一些***环境的干扰，同时也是为了避免***对输入信号产生干扰，在允许的体积重量要求下，通常要求被测电路与测试电路在电气上进行隔离处理。一般我们采用的隔离方式有普通光电耦合器隔离方式和磁隔离方式等，但这两种隔离方式都有其局限性。其中，普通光电耦合器隔离方式中，在利用光耦的线性耦合区域直接对模拟信号进行隔离传输时，由于光电耦合器内部发光二级管和光敏三级管的伏安特性，使得光电耦合器的“线性区”实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真，使得对输入信号不能全量程隔离。而对于高频交流模拟信号，磁隔离方式是最常见的选择。目前国外有一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI公司的AD202，TI子公司TOAS的TIL300等，这种隔离放大器对从直流到几千赫兹频率内， -5V到+5V幅度内的模拟信号隔离传输时能够达到高达0.025%的非线性度，但是这种集成的隔离放大器的缺点是内部电路复杂，体积大，成本高，同时对于输入信号的频率有限制（如AD202，最高信号频率为1kHz），不适合大规模应用。因此采用以上几种方法都无法实现产品体积小、成本低、输入输出线性度高、待测信号频率高，同时待测信号全量程隔离的要求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种体积小、成本低、电路简单、测试精度高、可大规模应用，同时具有良好稳定性、线性度和带宽，全量程的模拟信号隔离测试电路，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：全量程高线性度模拟信号隔离电路。包括输入驱动电路，隔离电路和输出缓冲电路，待测模拟信号接到所述的输入驱动电路的反相输入端，输入驱动电路的输出端串接到隔离电路的输入端，隔离电路的第一反馈输出端接到输入驱动电路的反相输入端，隔离电路的第二输出端串接到输出缓冲电路的反相输入端。

上述的全量程高线性度模拟信号隔离电路中，所述输入驱动电路由组合型运算放大电路及驱动电阻组成，在组合型运算放大电路的反相端并接了反馈滤波电容。

前述的全量程高线性度模拟信号隔离电路中，所述隔离电路中使用的光电耦合器最好选用反馈型线性模拟光电耦合器，这种光电耦合器内部主要由一个铝砷化镓发光二极管和两个与其相邻的反馈光敏二极管和输出光敏二极管组成，发光二极管的输入端接到输入驱动电路的输出端，反馈光敏二极管的输出端接入输入驱动电路的反相输入端，输出光敏二极管的输出端接入输出缓冲电路的反相输入端。

前述的全量程高线性度模拟信号隔离电路中，所述的输出缓冲电路由组合型运算放大电路和低通滤波器组成，隔离电路的输出端接到组合型运算放大电路的反相输入端，在组合型运算放大电路的反相端并接由电阻和电容构成的低通滤波器。

本实用新型的有益效果：与现有技术相比，本实用新型集中了光隔离技术体积小、电路简单、待测信号频率高，以及磁隔离技术线性度高、信号测试全量程的优点，并同时克服了这两种技术的缺点，具有体积小、成本低、电路简单、精度度高、可大规模应用，同时具有良好稳定性、线性度和带宽，可对输入模拟信号进行全量程隔离测试的特点。申请人通过在一种数据采集器上运用本实用新型，成功的在体积为φ154(mm)×76(mm)的产品中实现了同时隔离54路单极性模拟信号，而且最终综合测量结果所有隔离模拟量的非线性度均小于0.1%，隔离效果良好。其中一路参数非线性度测试结果见表1。本实用新型适用于单极性信号输入测量***，稍作改动后即可在双极性信号输入、交直流电路、转换电路等多种模式下工作，因而可广泛应用在数据通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制（变换器的隔离、热电偶的隔离）等方面。

表1  参数非线性度测试结果

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图；图中Vdd1，Vss1和Vdd2，Vss2分别表示不同的两组供电电源，说明光耦前后两端供电需要隔离；

图2是本实用新型的组合型运算放大器等效电路图；

图3是本实用新型的光电耦合器的内部结构图。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

具体实施方式

实施例。如图1所示，电路包括输入驱动电路，隔离电路和输出缓冲电路。输入驱动电路由组合型运算放大电路A1及驱动电阻R2组成，在组合型运算放大电路A1的反相端并接了反馈滤波电容C1。隔离电路中使用的光电耦合器OC1内部主要由一个铝砷化镓发光二极管LED和两个与其相邻的反馈光敏二极管PD1和输出光敏二极管PD2组成，发光二极管LED的输入端1、2接到输入驱动电路的输出端，反馈光敏二极管PD1的输出端3、4接入输入驱动电路的反相输入端，输出光敏二极管PD2的输出端5、6接入输出缓冲电路的反相输入端。输出缓冲电路由组合型运算放大电路A2和低通滤波器组成，隔离电路的输出端接到组合型运算放大电路A2的反相输入端，在组合型运算放大电路A2的反相端并接由电阻R3和电容C2构成的低通滤波器。待测模拟信号接到所述的输入驱动电路的反相输入端，输入驱动电路的输出端串接到隔离电路的输入端，隔离电路的第一反馈输出端接到输入驱动电路的反相输入端，隔离电路的第二输出端串接到输出缓冲电路的反相输入端。输入驱动电路和输出缓冲电路中使用的组合型运算放大器A1、A2是ADI公司的双运放AD823，隔离电路中使用的光电耦合器OC1是高线性度模拟光电耦合器HCNR201。电路中组合型运算放大器A1的作用是构成隔离电路线性光耦的输入驱动级电路，组合型运算放大器A2的作用是构成隔离电路线性光耦的输出缓冲级电路，将光耦输出的电流信号转换为电压信号供后级电路使用。图1中前端输入驱动电路和后端输出缓冲电路中均使用了组合型运算放大器，即把两个运算放大器组合在一起（等效电路如图2所示）。图2中A端为组合型运算放大器反相输入端，B端为组合型运算放大器同相输入端。运算放大器AD823恰是双运算放大器，因为两个运算放大器集成在同一个芯片上，利用其失调电压近似相等的特点，使组合运算放大器的等效失调电压近似为零，这样极大的削弱了运算放大器输入失调电压对电路精度的影响，提高测试参数的线性度。另外由于电路中光耦的驱动电流为1～25mA，因此选用运放的最大输出电流应不小于25mA。图1中R1用来调节运算放大器A1的输入偏置电流大小，C1起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免线性光耦OC1中的铝砷化镓发光二极管(LED)受到意外的冲击。电路中R2的作用是调节电路的非线性度。同时由于光耦一般都会产生一些高频的噪声，在R3处并联电容C3，在输出缓冲电路中构成一级低通滤波器，用来滤除一些不必要的高频噪声，电容的具体值由输入频率以及噪声频率计算而得。线性光电耦合器HCNR201是一种由三个光电元件组成的器件,它具有很高的线性度和灵敏度，可在检测***中精确地传送电压信号，该器件有两种工作模式，分别是光电导模式和光电压模式。它是一种反馈型光耦，其隔离原理是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一致的，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。该器件主要由一个铝砷化镓发光二极管LED和两个与其相邻的光敏二极管PD1、PD2组成（如图3所示），其中LED为铝砷化镓发光二极管，PD1、PD2是两个相邻匹配的反馈光敏二极管和输出光敏二极管，这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从LED得到近似的光照，因而消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差。当驱动电流I _F 流过LED时，LED发出的光分别照射到PD1与PD2，反馈二极管PD1吸收光通量的一部分，从而产生控制电流I _PD1 （I _PD1 ≈0.005I _F ），该电流用来调节I _F 以补偿LED的非线性，输出二极管PD2产生的输出电流I _PD2 与LED发出的光通量呈线性比例，令电流增益K ₁  = I _PD1 /I _F ，正向增益K ₂  = I _PD2 /I _F ，则传输增益K ₃  = K ₂ /K ₁  = I _PD2 /I _PD1 ，K ₃ 的典型值为1。在使用时，可将发光二极管LED的输入端1、2与光敏二极管PD1的输出端3、4一起接入前端运算放大器A1，其中第3、4端的光敏二极管起反馈作用，它可将产生的输出电流再反馈到第1、2端的LED上，以对输入信号进行反馈控制。光敏二极管PD2的输出端5、6接入后端运算放大器A2。图1 中的线性光偶HCNR201工作在光电压模式下，信号为正极性输入，正极性输出。放大器A1调节电流I _F 。当输入电压V _in 增加时，I _PD1 增加，同时放大器A1“＋”输入端电压增加，促使电流I _F 增加。由于LED与PD1之间的联系，I _PD1 就会把“＋”输入端电压重新拉回0V，形成负反馈。如果放大器A1的输入电流很小，那么流经R1的电流就为

。显而易见，I _PD1 与V _in 之间是线性比例关系。I _PD1 稳定线性变化，I _F 也稳定线性变化。因为PD2受到LED光照，I _PD2 也跟着稳定线性变化

。另外，电路中调节非线性度的电阻

，考虑到I _F 大有利于能量传输，I _F 取线性光耦HCNR201最大驱动电流，一般为25mA。图1中，其输入端

，输出端

，故有

。由此可见，其输入与输出呈一种线性关系，且其隔离放大器的增益可通过调整R1与R3的比值来实现。由于器件参数的差异，电阻R1、R2、R3还需要做一定的调整，力求使电路达到最佳的线性度要求。

本实用新型的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出的各种变化均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全量程高线性度模拟信号隔离电路，包括输入驱动电路，隔离电路和输出缓冲电路，其特征在于：待测模拟信号接到所述的输入驱动电路的反相输入端，输入驱动电路的输出端串接到隔离电路的输入端，隔离电路的第一反馈输出端接到输入驱动电路的反相输入端，隔离电路的第二输出端串接到输出缓冲电路的反相输入端。

2.根据权利要求1所述的全量程高线性度模拟信号隔离电路，其特征在于：所述输入驱动电路由组合型运算放大电路A1及驱动电阻R2组成，在放大电路A1的反相端并接了反馈滤波电容C1。

3.根据权利要求1或2所述的全量程高线性度模拟信号隔离电路，其特征在于：所述的隔离电路中使用的光电耦合器OC1是高线性度模拟光电耦合器，光电耦合器OC1内部主要由一个铝砷化镓发光二极管LED和两个与其相邻的反馈光敏二极管和输出光敏二极管PD1、PD2组成，发光二极管的输入端(1、2)接到输入驱动电路的输出端，反馈二极管PD1的输出端(3、4)接入输入驱动电路的反相输入端，输出二极管PD2的输出端(5、6)接入输出缓冲电路的反相输入端。

4.根据权利要求1或3所述的全量程高线性度模拟信号隔离电路，其特征在于：所述输出缓冲电路由组合型运算放大电路A2和低通滤波器组成，隔离电路的输出端接到放大电路A2的反相输入端，在放大电路A2的反相端并接由电阻R3和电容C2构成的低通滤波器，组合运算放大电路A2的输出端信号即为输出缓冲电路的输出。 

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