CN102970040B - 基于线性光隔的模数隔离转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线性光隔的模数隔离转换电路，涉及工业控制领域中的A/D电路设计，该电路包括稳压二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、线性光隔、第一电阻、第二电阻、第三电阻、A/D转换芯片和MCU，稳压二极管分别与第一运算放大器、线性光隔相连，线性光隔分别与第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻相连，第二运算放大器与第三电阻相连，共同组成放大电路，第二运算放大器还通过A/D转换芯片与MCU相连。本发明的输入电流回路前端无需单独电源，直接从输入电流回路取电，将输入电流信号转化为光信号隔离，能实现电气隔离，所需器件较少，能够降低硬件成本，简化电路结构，减小电路板面积。<!--1-->
Description
技术领域
本发明涉及工业控制领域中的A/D（Analog/Digital，模拟/数字）电路设计，特别是涉及一种基于线性光隔的模数隔离转换电路。
背景技术
在工业控制现场，广泛使用4mA～20mA直流电流来传递过程控制信号，例如现场温度、压力、流量等，MCU（MicroControlUnit，微控制单元）要通过A/D转换，才能获取这些信号进行运行，并最终控制输出或显示。
在工业控制现场，为了避免电流回路上的干扰信号串入到MCU电路，一般要求A/D转换电路与MCU隔离，通常有以下2种方法：
（1）电压隔离法：在前输入回路串一个采样电阻，先把4mA～20mA电流信号转为电压信号，然后把电压信号通过AD202之类的隔离变压器变换到与MCU电路共地的A/D采集芯片，MCU再通过A/D采集芯片完成隔离模数转换。
（2）在电流输入回路端完成A/D转换，转换后的数字量通过TLP521之类的普通光隔传送到MCU。
上述两种方法都需要在输入电流回路前端单独提供一路电源，第一种方法所用AD202不仅体积较大，而且价格昂贵；第二种方法所需要的A/D转换芯片和光隔的数量较多，每一路都要配置一套，当有多路信号需要采集时，硬件成本很高。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于线性光隔的模数隔离转换电路，输入电流回路前端无需单独电源，直接从输入电流回路取电，将输入电流信号转化为光信号隔离，能够实现真正的电气隔离，所需器件较少，能够降低硬件成本，简化电路结构，减小电路板面积。
本发明提供的基于线性光隔的模数隔离转换电路，包括：包括稳压二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、线性光隔、第一电阻、第二电阻、第三电阻、A/D转换芯片和MCU，稳压二极管分别与第一运算放大器、线性光隔相连，线性光隔分别与第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻相连，第二运算放大器与第三电阻相连，共同组成放大电路，第二运算放大器还通过A/D转换芯片与MCU相连，其中：
所述稳压二极管，用于：从输入电流取电给第一运算放大器提供电源；
所述第一运算放大器，用于：保证线性光隔的输出光量与输入电流成线性关系，并克服温漂的影响；
所述线性光隔，用于：将输入电流转换为光信号，并将光信号按比例还原成电流信号，实现输入电流与A/D转换芯片的光隔离；
所述第一电阻和第二电阻共同组成一个分流电路，用于：对流入线性光隔的电流进行分流；
所述第二运算放大器与第三电阻共同组成一个电流/电压转换电路，用于：将线性光隔输入的电流信号转为电压信号，输出到A/D转换芯片；
所述A/D转换芯片，用于：将第二运算放大器输入的电压信号转换为数字信号，并将数字信号传给MCU；
所述MCU，用于：接收A/D转换芯片A/D发来的数字信号，根据接收的数字信号，完成隔离转换。
在上述技术方案中，所述线性光隔包括LED、第一光电二极管和第二光电二极管，第一运算放大器包括第一电源正端、第一输入正端、第一输入负端、第一输出端和第一接地端，第二运算放大器包括第二电源正端、第二输入正端、第二输入负端、第二输出端和第二接地端，所述稳压二极管的正极、第一运算放大器的第一电源正端均与输入电流信号的正端相连，稳压二极管的负极分别与第一运算放大器的第一输入正端、第一接地端、线性光隔中LED的负级、第一光电二极管的负级相连，第一运算放大器的第一输出端与线性光隔中LED的正级相连，第一输入负端与线性光隔中第一光电二极管的正级相连。
在上述技术方案中，所述第一运算放大器作为反馈放大器，用于稳定和线性化LED输出的光量，保证LED的正极电压和负极电压相等。
在上述技术方案中，所述线性光隔中第一光电二极管的正级与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与输入电流信号的负端相连；第一光电二极管的负级与第二电阻的一端相连，第二电阻的另一端与输入电流信号的负端相连。
在上述技术方案中，所述第一电阻和第二电阻共同组成的分流电路对流入线性光隔中第一光电二极管的电流进行分流，保证流过线性光隔中第一光电二极管的电流≤50uA。
在上述技术方案中，所述线性光隔中第二光电二极管的正级与电源接地端相连，第二光电二极管的负级与第二运算放大器的第二输入负端相连，第三电阻的一端与第二运算放大器的第二输入负端相连，第三电阻的另一端与第二运算放大器的第二输出端相连。
在上述技术方案中，所述第二运算放大器与第三电阻共同组成的电流/电压转换电路将线性光隔中的第二光电二极管输入的电流信号转为电压信号，输出到A/D转换芯片。
在上述技术方案中，所述线性光隔中的第一光电二极管与第二光电二极管匹配，将光信号按比例还原成电流信号，实现输入电流与A/D转换芯片的光隔离。
在上述技术方案中，所述A/D转换芯片包括第三电源正端、A/D输入端、第一串口或第一并口、第三接地端，MCU包括第四电源正端、第二串口或第二并口、第四接地端，第二运算放大器的第二电源正端与电源正端相连，第二输入正端、第二接地端均与电源接地端相连，第二输出端与A/D转换芯片的A/D输入端相连，A/D转换芯片的第一串口或第一并口与MCU的第二串口或第二并口相连，A/D转换芯片的第三电源正端和MCU的第四电源正端均与电源正端相连，A/D转换芯片的第三接地端、MCU的第四接地端均与电源接地端相连。
在上述技术方案中，所述A/D转换芯片通过第一串口或第一并口将数字信号传给MCU，MCU通过第二串口或第二并口接收A/D转换芯片A/D发来的数字信号。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明的输入电流回路前端无需单独电源，直接从输入电流回路取电，将输入电流信号转化为光信号隔离，能够实现真正的电气隔离，所需器件较少，能够降低硬件成本，简化电路结构，减小电路板面积。
附图说明
图1是本发明实施例基于线性光隔的模数隔离转换电路的电路图。
图2是图1的等效电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于线性光隔的模数隔离转换电路，包括稳压二极管Z、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、线性光隔U、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、A/D转换芯片和MCU，稳压二极管Z分别与第一运算放大器A1、线性光隔U相连，线性光隔U分别与第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一电阻R1、第二电阻R2相连，第二运算放大器A2与第三电阻R3相连，共同组成放大电路，第二运算放大器A2还通过A/D转换芯片与MCU相连，其中：
稳压二极管Z，用于：从输入电流取电给第一运算放大器A1提供电源；
第一运算放大器A1，用于：保证线性光隔U的输出光量与输入电流成线性关系，并克服温漂的影响；
线性光隔U，用于：将输入电流转换为光信号，并将光信号按比例还原成电流信号，实现输入电流与A/D转换芯片的光隔离；
第一电阻R1和第二电阻R2共同组成一个分流电路，用于：对流入线性光隔的电流进行分流；
第二运算放大器A2与第三电阻R3共同组成一个电流/电压转换电路，用于：将线性光隔U中第二光电二极管PD2输入的电流信号转为电压信号，输出到A/D转换芯片；
A/D转换芯片，用于：将第二运算放大器A2输入的电压信号转换为数字信号，并将数字信号传给MCU；
MCU，用于：接收A/D转换芯片A/D发来的数字信号，根据接收的数字信号，完成隔离转换。
参见图1所示，线性光隔U包括LED（LightEmittingDiode，发光二极管）、第一光电二极管PD（PhotoDiode，光电二极管）1和第二光电二极管PD2，第一运算放大器A1包括第一电源正端VC1、第一输入正端IN+1、第一输入负端IN-1、第一输出端OUT1和第一接地端GND1，第二运算放大器A2包括第二电源正端VC2、第二输入正端IN+2、第二输入负端IN-2、第二输出端OUT2和第二接地端GND2。
参见图1所示，稳压二极管Z的正极、第一运算放大器A1的第一电源正端VC1均与输入电流信号的正端Iin+相连，稳压二极管Z的负极分别与第一运算放大器A1的第一输入正端IN+、第一接地端GND1、线性光隔U中LED的负级、第一光电二极管PD1的负级相连，第一运算放大器A1的第一输出端OUT1与线性光隔U中LED的正级相连，第一输入负端IN-1与线性光隔U中第一光电二极管PD1的正级相连。第一运算放大器作为反馈放大器，用于稳定和线性化LED输出的光量，保证LED的正极电压和负极电压相等。
参见图1所示，线性光隔U中第一光电二极管PD1的正级与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端与输入电流信号的负端Iin-相连；第一光电二极管PD1的负级与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与输入电流信号的负端Iin-相连。第一电阻R1和第二电阻R2共同组成的分流电路，对流入线性光隔U中第一光电二极管PD1的电流进行分流，保证流过线性光隔U中第一光电二极管PD1的电流≤50uA。
参见图1所示，线性光隔U中第二光电二极管PD2的正级与电源接地端AGND相连，第二光电二极管PD2的负级与第二运算放大器A2的第二输入负端IN-2相连，第三电阻R3的一端与第二运算放大器A2的第二输入负端IN-2相连，第三电阻R3的另一端与第二运算放大器A2的第二输出端OUT2相连。第二运算放大器与第三电阻共同组成的电流/电压转换电路将线性光隔中的第二光电二极管输入的电流信号转为电压信号，输出到A/D转换芯片。
线性光隔U中的第一光电二极管PD1与第二光电二极管PD2匹配，将光信号按比例还原成电流信号，实现输入电流与A/D转换芯片的光隔离。
参见图1所示，A/D转换芯片包括第三电源正端VC3、A/D输入端、第一串口或第一并口、第三接地端GND3，MCU包括第四电源正端VC4、第二串口或第二并口、第四接地端GND4，第二运算放大器A2的第二电源正端VC2与电源正端VCC相连，第二输入正端IN+2、第二接地端GND2均与电源接地端AGND相连，第二输出端OUT2与A/D转换芯片的A/D输入端相连，A/D转换芯片的第一串口或第一并口与MCU的第二串口或第二并口相连，A/D转换芯片的第三电源正端VC3和MCU的第四电源正端VC4均与电源正端VCC相连，A/D转换芯片的第三接地端GND3、MCU的第四接地端GND4均与电源接地端AGND相连。
参见图1所示，A/D转换芯片将第二运算放大器A2输入的电压信号转换为数字信号，并通过第一串口或第一并口将数字信号传给MCU；MCU通过第二串口或第二并口（取决于A/D转换芯片的接口类型），接收A/D转换芯片A/D发来的数字信号，根据接收的数字信号，完成隔离转换。
本发明实施例的原理详细阐述如下：
参见图2所示，当输入回路的电流ILOOP流过LED时，LED随即发光，LED发出的光照射到第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2上。第一运算放大器A1作为反馈放大器，用于稳定和线性化LED输出的光量，始终保证LED的正极电压和负极电压相等。基于线性光隔的加工工艺，第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2会收到相同的光照，并产生相同的电流。
例如，当输入回路的电流ILOOP增大时，流过第二电阻R2的电流也增大，第一运算放大器A1的第一输入正端IN+的电压也相应增大，导致第一运算放大器A1的第一输出端OUT1的电压也增大，同时，LED的发光量If也增大；根据线性光隔的特点，第一光电二极管PD1产生的电流IPD1也增大，使得第一运算放大器A1的第一输入负端IN-1的电压也增大，直到第一运算放大器A1的第一输入负端IN-1的电压等于其第一输入正端IN+的电压。
假设第一运算放大器A1是个理想运算放大器，其第一输入正端IN+1和第一输入负端IN-1都没有电流流入，第一电阻R1和第二电阻R2共同组成一个分流电路，则可按照公式（1）计算出第一光电二极管PD1产生的电流IPD1：
IPD1=ILOOP*R2/(R1+R2)（1）
公式（1）中，第一光电二极管PD1产生的电流IPD1与流过LED电流无关。
根据线性光隔加工工艺特点，流过第二光电二极管PD2的电流IPD2与第一光电二极管PD1产生的电流IPD1相等，即
IPD1=IPD2（2）
同时，第二运算放大器A2与第三电阻R3共同组成一个电流/电压转换电路，第二运算放大器A2的输出电压Vout的计算公式为：
Vout=IPD2*R3（3）
根据公式（1）、（2）和（3）可推导出：
Vout=ILOOP*R2*R3/(R1+R2)（4）
从公式（4）可知：第二运算放大器A2的输出电压Vout与输入回路的电流ILOOP成线性关系，A/D转换芯片将第二运算放大器A2的输出电压Vout转换成数字信号，并将数字信号发给MCU处理，这就完成了输入电流的隔离转换。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.一种基于线性光隔的模数隔离转换电路，其特征在于：包括稳压二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、线性光隔、第一电阻、第二电阻、第三电阻、A/D转换芯片和MCU，稳压二极管分别与第一运算放大器、线性光隔相连，线性光隔分别与第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻相连，第二运算放大器与第三电阻相连，共同组成放大电路，第二运算放大器还通过A/D转换芯片与MCU相连，其中：
所述稳压二极管，用于：从输入电流取电给第一运算放大器提供电源；
所述第一运算放大器，用于：保证线性光隔的输出光量与输入电流成线性关系，并克服温漂的影响；
所述线性光隔，用于：将输入电流转换为光信号，并将光信号按比例还原成电流信号，实现输入电流与A/D转换芯片的光隔离；
所述第一电阻和第二电阻共同组成一个分流电路，用于：对流入线性光隔的电流进行分流；
所述第二运算放大器与第三电阻共同组成一个电流/电压转换电路，用于：将线性光隔输入的电流信号转为电压信号，输出到A/D转换芯片；
所述A/D转换芯片，用于：将第二运算放大器输入的电压信号转换为数字信号，并将数字信号传给MCU；
所述MCU，用于：接收A/D转换芯片A/D发来的数字信号，根据接收的数字信号，完成隔离转换；
所述线性光隔包括LED、第一光电二极管和第二光电二极管，第一运算放大器包括第一电源正端、第一输入正端、第一输入负端、第一输出端和第一接地端，第二运算放大器包括第二电源正端、第二输入正端、第二输入负端、第二输出端和第二接地端，所述稳压二极管的正极、第一运算放大器的第一电源正端均与输入电流信号的正端相连，稳压二极管的负极分别与第一运算放大器的第一输入正端、第一接地端、线性光隔中LED的负级、第一光电二极管的负级相连，第一运算放大器的第一输出端与线性光隔中LED的正级相连，第一输入负端与线性光隔中第一光电二极管的正级相连；
所述第一运算放大器作为反馈放大器，用于稳定和线性化LED输出的光量，保证LED的正极电压和负极电压相等；
所述线性光隔中第一光电二极管的正级与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端与输入电流信号的负端相连；第一光电二极管的负级与第二电阻的一端相连，第二电阻的另一端与输入电流信号的负端相连；
所述第一电阻和第二电阻共同组成的分流电路对流入线性光隔中第一光电二极管的电流进行分流，保证流过线性光隔中第一光电二极管的电流≤50uA；
所述线性光隔中第二光电二极管的正级与电源接地端相连，第二光电二极管的负级与第二运算放大器的第二输入负端相连，第三电阻的一端与第二运算放大器的第二输入负端相连，第三电阻的另一端与第二运算放大器的第二输出端相连；
所述第二运算放大器与第三电阻共同组成的电流/电压转换电路将线性光隔中的第二光电二极管输入的电流信号转为电压信号，输出到A/D转换芯片；
所述线性光隔中的第一光电二极管与第二光电二极管匹配，将光信号按比例还原成电流信号，实现输入电流与A/D转换芯片的光隔离；
所述A/D转换芯片包括第三电源正端、A/D输入端、第一串口或第一并口、第三接地端，MCU包括第四电源正端、第二串口或第二并口、第四接地端，第二运算放大器的第二电源正端与电源正端相连，第二输入正端、第二接地端均与电源接地端相连，第二输出端与A/D转换芯片的A/D输入端相连，A/D转换芯片的第一串口或第一并口与MCU的第二串口或第二并口相连，A/D转换芯片的第三电源正端和MCU的第四电源正端均与电源正端相连，A/D转换芯片的第三接地端、MCU的第四接地端均与电源接地端相连；
所述A/D转换芯片通过第一串口或第一并口将数字信号传给MCU，MCU通过第二串口或第二并口接收A/D转换芯片A/D发来的数字信号。
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