CN102064819A - 一种高精度带隔离的i/v变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度带隔离的I/V变换电路。现有的电路在信号传递过程中存在非线性问题。本发明是将两个传输特性是非线性的光耦的集电极分别引到运放的两个输入端，利用运放的虚短原理，消除光耦的非线性，使输入电流经过隔离后精确地传输到采样电阻上，采样电阻上的压差再经过差分运放转变成和输入电流成比例的电压信号。本发明电路精度高且电路简单、成本低、容易实现。

Description

一种高精度带隔离的I/V变换电路

技术领域

本发明属于模拟信号隔离处理领域，具体涉及一种高精度带隔离的I/V变换电路。

背景技术

在大多数应用场所，尤其是工业现场中，一般采用4～20mA(或0～20mA)电流信号作为信号传输的方式，而数字系统前端A/D模块的输入电压范围是0～5V。因此，在接收电流信号时，要将电流信号先变换成电压信号，然后才能送往A/D转换模块。这中间要有一个电流到电压(即I/V)的变换电路，这种变换电路主要有两类，即无源I/V变换电路和有源I/V变换电路。无源I/V变换电路主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。而有源的主要则是利用有源器件运算放大器和电阻组成，利用运算放大器对输入信号进行放大。由于接收的电流信号一般会带来干扰，这不利于后端电路的数字化处理，现在常用的处理措施是在电路中加入光耦隔离电路。光耦是一种把发光元件和光敏元件封装在同一个外壳内组合而成的以光为媒介传输信号的光电转换器件，它实现了电-光-电的转换。由于没有直接的电气连接，外界干扰无法影响后续处理电路，这样就有力地抑制了尖峰脉冲和其它噪声的干扰，使系统的性能得到有效的改善。但是光耦实际上是一种非线性器件，即使是线性光耦，生产广家也没有给出精确的输入输出之间的线性关系式，这就导致直接用光耦来传递模拟量时的精确度较差，因此，光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑其非线性问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高精度带隔离的I/V变换电路。本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种高精度带隔离的I/V变换电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第一光耦U1A、第二光耦U1B、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B和第三运算放大器U2C。

第一电阻R1一端作为I/V变换电路信号输入端接输入信号，另一端接第一光耦U1A的二极管正极，第一光耦U1A的二极管负极接地；第一光耦U1A的光敏管集电极、第二电阻R2的一端以及第三电阻R3的一端与第一运算放大器U2A正向输入端连接，第一光耦U1A的光敏管发射极接地，第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端接+5V电源；第一运算放大器U2A输出端与第四电阻R4的一端、第三滤波电容C3的一端、第七电阻R7的一端连接，第四电阻R4的另一端、第三滤波电容C3的另一端、第八电阻R8的一端接第二光耦U1B的二极管正极，第二光耦U1B的二极管负极接地；第二光耦U1B的光敏管集电极与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第一运算放大器U2A负向输入端连接，第二光耦U1B的光敏管发射极接地；第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端接+5V电源。

第七电阻R7的另一端、第九电阻R9的一端、第四滤波电容C4的一端、第五滤波电容C5的一端与第二运算放大器U2B负向输入端连接，第九电阻R9的另一端、第五滤波电容C5的另一端接地；第八电阻R8的另一端、第四滤波电容C4的另一端、第十电阻R10的一端、第六滤波电容C6的一端与第二运算放大器U2B正向输入端连接，第十电阻R10的另一端、第六滤波电容C6的另一端、第十二电阻R12的一端与第二运算放大器U2B输出端连接；第十二电阻R12的另一端、第七滤波电容C7的一端、第十四电阻R14的一端与第三运算放大器U2C负向输入端连接，第七滤波电容C7的另一端、第十四电阻R14的另一端、第十五电阻R15的一端接地；第十一电阻R11的一端接1.25V电源，第十一电阻R11的另一端、第十三电阻R13的一端与第三运算放大器U2C正向输入端连接；第十三电阻R13的另一端、第十五电阻R15的另一端与第三运算放大器U2C输出端连接，作为I/V变换电路的输出。

所述的第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B和第三运算放大器U2C集成在同一芯片LM224AD中，第一滤波电容C1的一端、第二滤波电容C2的一端接地，第一滤波电容C1的另一端、第二滤波电容C2的另一端、芯片LM224AD的供电端接+9V电源。

所述的第一光耦U1A与第二光耦U1B集成在同一芯片TLP521-2中。

本发明的主要特点是将两个传输特性是非线性的光耦的集电极分别引到运放的两个输入端，利用运放的虚短原理，消除了光耦的非线性，使输入电流经过隔离后精确地传输到采样电阻上，采样电阻上的压差再经过差分运放转变成和输入电流成比例的电压信号。该电路经过实际测量，精度很高，且电路简单、成本低、容易实现。

附图说明

图1是本发明的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种高精度带隔离的I/V变换电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14和第十五电阻R15、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第一光耦U1A、第二光耦U1B、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B和第三运算放大器U2C。

第一电阻R1一端作为I/V变换电路信号输入端接输入信号，另一端接第一光耦U1A的二极管正极，第一光耦U1A的二极管负极接地；第一光耦U1A的光敏管集电极、第二电阻R2的一端以及第三电阻R3的一端与第一运算放大器U2A正向输入端连接，第一光耦U1A的光敏管发射极接地，第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端接+5V电源；第一运算放大器U2A输出端与第四电阻R4的一端、第三滤波电容C3的一端、第七电阻R7的一端连接，第四电阻R4的另一端、第三滤波电容C3的另一端、第八电阻R8的一端接第二光耦U1B的二极管正极，第二光耦U1B的二极管负极接地；第二光耦U1B的光敏管集电极与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第一运算放大器U2A负向输入端连接，第二光耦U1B的光敏管发射极接地；第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端接+5V电源。

第一电阻R1的阻值为100Ω，起限流的作用。第二电阻R2、第三电阻R3的阻值都为100Ω，两个并联在一起，相当于50Ω(代替一个50Ω的电阻)，起限流作用。第三滤波电容C3的容量值为0.1uF。第四电阻R4的阻值为250Ω，并且要确保其阻值误差在1％以内，作为采样电阻。第一光耦U1A的二极管负极接地端要与其他器件的接地端独立，起到电流隔离的作用。第五电阻R5、第六电阻R6的阻值都为100Ω，两个并联在一起，相当于50Ω(代替50Ω的电阻)，起限流作用。第一光耦U1A的光敏管集电极输出信号接入第一运算放大器U2A的正向输入端，第二光耦U1B的光敏管集电极输出反馈到第一运算放大器U2A负向输入端，根据运算放大器负反馈电路的原理，第一运算放大器U2A负向输入端的电压自动跟踪其正向输入端的电压，使电路输入端电流与第四电阻R4上的电流相等。由于受到器件特性的影响，第四电阻R4每一端对地的电压不确定，但是其两端的电压差是确定的，即为

VA-VB＝IN×R4    (1)

第七电阻R7的另一端、第九电阻R9的一端、第四滤波电容C4的一端、第五滤波电容C5的一端与第二运算放大器U2B负向输入端连接，第九电阻R9的另一端、第五滤波电容C5的另一端接地；第八电阻R8的另一端、第四滤波电容C4的另一端、第十电阻R10的一端、第六滤波电容C6的一端与第二运算放大器U2B正向输入端连接，第十电阻R10的另一端、第六滤波电容C6的另一端、第十二电阻R12的一端与第二运算放大器U2B输出端连接；第十二电阻R12的另一端、第七滤波电容C7的一端、第十四电阻R14的一端与第三运算放大器U2C负向输入端连接，第七滤波电容C7的另一端、第十四电阻R14的另一端、第十五电阻R15的一端接地；第十一电阻R11的一端接1.25V电源，第十一电阻R11的另一端、第十三电阻R13的一端与第三运算放大器U2C正向输入端连接；第十三电阻R13的另一端、第十五电阻R15的另一端与第三运算放大器U2C输出端连接，作为I/V变换电路的输出。

第四滤波电容C4、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6的容量均为0.1uF，它们的作用是使得与之并联的器件两端的电压稳定。第七电阻R7、第九电阻R9阻值分别为16KΩ、20KΩ，起分压作用。第八电阻R8的阻值为16KΩ，起限流作用。第十电阻R10的阻值为20KΩ，起反馈电压的作用。这些电容器件、电阻器件与运算放大器一起组成差分放大电路，将第四电阻R4两端的电压差输出放大。具体过程如下：

由于第九电阻R9的分压作用，第二运算放大器U2B负向输入端电压V1为

$V1=\frac{\mathrm{VA}}{R7+R9}R9=\frac{5}{9}\mathrm{VA}---\left(2\right)$

由运算放大器虚短的知识可知，第二运算放大器U2B正向输入端电压V2与其反向输入端电压V1相等。再由运算放大器虚断的知识可知，流过第八电阻R8的电流I8等于流过第十电阻R10的电流I10，所以有

$\frac{\mathrm{VB}-V2}{R8}=\frac{V2-V01}{R10},$ 即 $\frac{\mathrm{VB}-V}{R8}=\frac{V1-V01}{R10}---\left(3\right)$

由(2)式和(3)式可得

V01＝1.25(VA-VB)    (4)

第七滤波电容C7的容量为0.1uF，它的作用是使得与之并联的器件两端的电压稳定。第十一电阻R11的阻值为20KΩ，起限流作用。第十二电阻R12、第十四电阻R14的阻值均为20KΩ，起分压作用。第十三电阻R13的阻值为20KΩ，起反馈电压的作用。第十五电阻R15的阻值都为20KΩ，起偏置作用。这些电容器件、电阻器件以及1.25V电源与运算放大器一起组成减法电路，将差分放大电路的输出电压变换为0～5V。具体过程如下：

由于第十四电阻R14的分压作用，第三运算放大器U2C负向输入端电压V3为

$V3=\frac{V01}{R12+R14}R14=\frac{1}{2}\mathrm{VA}---\left(5\right)$

由运算放大器虚短的知识可知，第三运算放大器U2C正向输入端电压V4与其反向输入端电压V3相等。再由运算放大器虚断的知识可知，流过第十一电阻R11的电流I11等于流过第十三电阻R13的电流I13，所以

$\frac{1.25-V4}{R11}=\frac{V4-V0}{R13},$ 即 $\frac{1.25-V3}{R11}=\frac{V3-V0}{R13}---\left(6\right)$

由(4)式、(5)式和(6)式可得

V0＝1.25(VA-VB)-1.25    (7)

这样差分放大电路输出端电压变换为0～5V。

再把(1)式代入(7)式，可得

V0＝1.25×IN×R4-1.25    (8)

因此，最终实现了4～20mA的电流到0～5V电压的转换。

本实施例中的第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B和第三运算放大器U2C集成在同一芯片LM224AD中，第一滤波电容C1的一端、第二滤波电容C2的一端接地，第一滤波电容C1的另一端、第二滤波电容C2的另一端、芯片LM224AD的供电端接+9V电源。第一光耦U1A与第二光耦U1B集成在同一芯片TLP521-2中。

Claims (1)

1.一种高精度带隔离的I/V变换电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第一光耦U1A、第二光耦U1B、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B和第三运算放大器U2C，其特征在于：

第一电阻R1一端作为I/V变换电路信号输入端接输入信号，另一端接第一光耦U1A的二极管正极，第一光耦U1A的二极管负极接地；第一光耦U1A的光敏管集电极、第二电阻R2的一端以及第三电阻R3的一端与第一运算放大器U2A正向输入端连接，第一光耦U1A的光敏管发射极接地，第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端接+5V电源；第一运算放大器U2A输出端与第四电阻R4的一端、第三滤波电容C3的一端、第七电阻R7的一端连接，第四电阻R4的另一端、第三滤波电容C3的另一端、第八电阻R8的一端接第二光耦U1B的二极管正极，第二光耦U1B的二极管负极接地；第二光耦U1B的光敏管集电极与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第一运算放大器U2A负向输入端连接，第二光耦U1B的光敏管发射极接地；第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端接+5V电源；

第七电阻R7的另一端、第九电阻R9的一端、第四滤波电容C4的一端、第五滤波电容C5的一端与第二运算放大器U2B负向输入端连接，第九电阻R9的另一端、第五滤波电容C5的另一端接地；第八电阻R8的另一端、第四滤波电容C4的另一端、第十电阻R10的一端、第六滤波电容C6的一端与第二运算放大器U2B正向输入端连接，第十电阻R10的另一端、第六滤波电容C6的另一端、第十二电阻R12的一端与第二运算放大器U2B输出端连接；第十二电阻R12的另一端、第七滤波电容C7的一端、第十四电阻R14的一端与第三运算放大器U2C负向输入端连接，第七滤波电容C7的另一端、第十四电阻R14的另一端、第十五电阻R15的一端接地；第十一电阻R11的一端接1.25V电源，第十一电阻R11的另一端、第十三电阻R13的一端与第三运算放大器U2C正向输入端连接；第十三电阻R13的另一端、第十五电阻R15的另一端与第三运算放大器U2C输出端连接，作为I/V变换电路的输出；

所述的第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B和第三运算放大器U2C集成在同一芯片LM224AD中，第一滤波电容C1的一端、第二滤波电容C2的一端接地，第一滤波电容C1的另一端、第二滤波电容C2的另一端、芯片LM224AD的供电端接+9V电源；

所述的第一光耦U1A与第二光耦U1B集成在同一芯片TLP521-2中。