CN103439556A - 光耦隔离线性检测电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光耦隔离线性检测电路，其包括：信号调理模块，用以将被测信号调理成适当幅值的电压信号；三角波发生模块，用以发生三角波基准信号；PWM信号发生模块，连接信号调理模块和三角波发生模块，将电压信号与三角波基准信号进行比较生成PWM信号；光耦隔离模块，输入侧连接所述PWM信号发生模块，输出侧传输隔离后的PWM信号；数模转换模块，连接光耦隔离模块的输出侧，将隔离后的PWM信号转换为模拟信号并输出。本发明还公开了该检测电路的实现方法。本发明使用普通的光耦、运放、反相器、阻容器件，使制造成本大大降低，电路运行可靠；在实现信号隔离的同时，能线性反馈出被测信号，极大地提高了控制电路的安全可靠性。

Description

光耦隔离线性检测电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及隔离检测电路，尤其涉及一种用普通光耦实现信号隔离的精确线性检测电路及其实现方法。

背景技术

控制电路在涉及危险电压和安全电压的应用场合，需要将被测信号同控制电路进行安全隔离。在工程应用领域，经常会出现如下情况：MCU在隔离电路的一侧，被测信号在隔离电路的另一侧。尽管业界有高性能的线性隔离光耦、隔离运算放大器、高速光耦等方案供选择，但这些方案的共同问题是成本高昂。业内亟需开发一种低成本的隔离线性检测电路及其实现方法。

发明内容

本发明是要解决现有技术中隔离线性检测电路结构复杂、成本高的问题，提出一种结构简单、成本低的隔离线性检测电路及其实现方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种光耦隔离线性检测电路，其包括：信号调理模块，连接被测信号，用以将被测信号调理成适当幅值的电压信号；三角波发生模块，用以发生三角波基准信号；PWM信号发生模块，连接所述信号调理模块和三角波发生模块，将所述电压信号与三角波基准信号进行比较生成PWM信号；光耦隔离模块，输入侧连接所述PWM信号发生模块，输出侧传输隔离后的PWM信号；数模转换模块，连接所述光耦隔离模块的输出侧，将隔离后的PWM信号转换为模拟信号并输出；电源模块，用以向各模块提供电源。

所述信号调理模块包括：第一和第二运算放大器，其中第一运算放大器的同相输入端接第一电阻和第一电容的一端，第一电阻的另一端接所述被测信号，第一电容的另一端接地，第一运算放大器的反相输入端接第一运算放大器的输出端和第二电阻的一端，第二电阻的另一端接第三电阻和第二电容的一端，第二电容的另一端接地，第三电阻的另一端接第三电容、第四电阻和第五电阻的一端，第三电容和第四电阻的另一端接地，第五电阻的另一端接第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的反相输入端接第六电阻和第七电阻的一端，第六电阻的另一端接地，第七电阻的另一端接第二运算放大器的输出端和第八电阻的一端，第八电阻的另一端输出所述电压信号。

所述三角波发生模块包括：第三和第四运算放大器，其中第三运算放大器反相输入端接第十六电阻、第十七电阻、第十电容、第十一电容的一端，第十六电阻的另一端接电源，第十七电阻和第十一电容的另一端接地，第十电容的另一端接第三运算放大器同相输入端、第十八电阻和第二十电阻的一端，第十八电阻的另一端接第三运算放大器输出端、第十九电阻和第二十三电阻的一端，第十九电阻的另一端接电源，第二十电阻另一端接第四运算放大器的输出端、第二十四电阻和第十四电容的一端，第二十三电阻的另一端接第十三电容的一端、第四运算放大器的反相输入端、第十四电容的另一端，第四运算放大器的同相输入端接第二十一电阻、第二十二电阻、第十二电容的一端和第十三电容的另一端，第二十一电阻的另一端接电源，第二十二电阻和第十二电容的另一端接地，第二十四电阻的另一端接第十五电容的一端并送出所述三角波基准信号，第十五电容的另一端接地。

所述PWM信号发生模块包括：第五运算放大器，其反相输入端接所述三角波基准信号，其同相输入端接第九电阻、第十电阻、第五电容的一端以及所述第八电阻的另一端，第九电阻的另一端接电源，第五电容和第十电阻的另一端接地，第五运算放大器的输出端输出所述PWM信号。

所述光耦隔离模块包括：光耦合器，光耦合器输入侧的阳极接第十一电阻和第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端和光耦合器输入侧的阴极接所述PWM信号，第十一电阻的另一端接电源，光耦合器输出侧的发射极接地，光耦合器输出侧的集电极输出所述隔离后的PWM信号。

所述数模转换模块包括：反相器，反相器的输入端接所述光耦合器输出侧的集电极以及第十三电阻和第六电容的一端，第十三电阻的另一端接电源，反相器的输出端接第十四电阻和第七电容的一端，第十四电阻的另一端接第十五电阻和第八电容的一端，第十五电阻的另一端接第九电容的一端并输出所述模拟信号，第六电容、第七电容、第八电容和第九电容的另一端接地。

上述三角波基准信号的频率为1KHz至10KHz。

本发明还揭示了一种光耦隔离线性检测电路的实现方法，方法如下：用信号调理模块将被测信号调理成适当幅值的电压信号；用三角波发生模块发生三角波基准信号；用PWM信号发生模块连接所述信号调理模块和三角波发生模块，将所述电压信号与三角波基准信号进行比较生成PWM信号；用光耦隔离模块连接所述PWM信号发生模块，对PWM信号进行隔离；用数模转换模块连接所述光耦隔离模块的输出侧，将隔离后的PWM信号转换为模拟信号并输出。

上述三角波基准信号的频率为1KHz至10KHz。

与现有技术相比，本发明使用普通的光耦、运放、反相器、阻容器件，使制造成本大大降低，电路运行可靠；在实现信号隔离的同时，能线性反馈出被测信号，极大地提高了控制电路的安全可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作出详细的说明，其中：

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的波形图；

图3为本发明较佳实施例中信号调理模块和PWM信号发生模块的电路图；

图4为本发明较佳实施例中三角波发生模块的电路图；

图5为本发明较佳实施例中光耦隔离模块和数模转换模块的电路图。

具体实施方式

本发明揭示了一种光耦隔离线性检测电路，参看图1其包括：信号调理模块，连接被测信号，用以将被测信号调理成适当幅值的电压信号；三角波发生模块，用以发生三角波基准信号；PWM信号发生模块，连接所述信号调理模块和三角波发生模块，将所述电压信号与三角波基准信号进行比较生成PWM信号；光耦隔离模块，输入侧连接所述PWM信号发生模块，输出侧传输隔离后的PWM信号；数模转换模块，连接所述光耦隔离模块的输出侧，将隔离后的PWM信号转换为模拟信号并输出；电源模块，用以向各模块提供电源。

需要指出，电源模块具有多个输出端，具有输出多个电压。在较佳实施例中，电源模块具有VCCP、VREF、V3.3D三个输出端，分别输出直流12伏、2.5伏、3.3伏。电源的地分为两种，位于光耦隔离模块输入侧的电路连接地，位于光耦隔离模块输出侧的电路连接保护地PGND。

参看图3示出的较佳实施例，信号调理模块包括：第一和第二运算放大器，其中第一运算放大器U1A的同相输入端接第一电阻R1和第一电容C1的一端，第一电阻的另一端接所述被测信号Vin，第一电容的另一端接地，第一运算放大器的反相输入端接第一运算放大器的输出端和第二电阻R2的一端，第二电阻的另一端接第三电阻R3和第二电容C2的一端，第二电容的另一端接地，第三电阻的另一端接第三电容C3、第四电阻R4和第五电阻R5的一端，第三电容和第四电阻的另一端接地，第五电阻的另一端接第二运算放大器U1B的同相输入端，第二运算放大器的反相输入端接第六电阻R6和第七电阻R7的一端，第六电阻的另一端接地，第七电阻的另一端接第二运算放大器的输出端和第八电阻的一端R8，第八电阻的另一端输出所述电压信号。

参看图4示出的较佳实施例，三角波发生模块包括：第三和第四运算放大器，其中第三运算放大器U5A反相输入端接第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十电容C10、第十一电容C11的一端，第十六电阻的另一端接电源（VREF端，2.5v），第十七电阻和第十一电容的另一端接地，第十电容的另一端接第三运算放大器同相输入端、第十八电阻R18和第二十电阻R20的一端，第十八电阻的另一端接第三运算放大器输出端、第十九电阻R19和第二十三电阻R23的一端，第十九电阻的另一端接电源（VREF端，2.5v），第二十电阻另一端接第四运算放大器U5B的输出端、第二十四电阻R24和第十四电容C14的一端，第二十三电阻的另一端接第十三电容C13的一端、第四运算放大器的反相输入端、第十四电容的另一端，第四运算放大器的同相输入端接第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第十二电容C12的一端和第十三电容的另一端，第二十一电阻的另一端接电源（VREF端，2.5v），第二十二电阻和第十二电容的另一端接地，第二十四电阻的另一端接第十五电容C15的一端并送出所述三角波基准信号，第十五电容的另一端接地。

参看图3示出的较佳实施例，PWM信号发生模块包括：第五运算放大器U2，其反相输入端接所述三角波基准信号Triangle，其同相输入端接第九电阻R9、第十电阻R10、第五电容C5的一端以及所述第八电阻R8的另一端，第九电阻的另一端接电源（VREF端，2.5v），第五电容和第十电阻的另一端接地，第五运算放大器的输出端输出所述PWM信号VIN-SAM。

参看图5示出的较佳实施例，光耦隔离模块包括：光耦合器U3，光耦合器输入侧的阳极接第十一电阻R11和第十二电阻R12的一端，第十二电阻的另一端和光耦合器输入侧的阴极接所述PWM信号VIN-SAM，第十一电阻的另一端接电源（VCCP端，12v），光耦合器输出侧的发射极接地（此处的地为保护地PGND），光耦合器输出侧的集电极输出所述隔离后的PWM信号。

参看图5示出的较佳实施例，数模转换模块包括：反相器U4，反相器的输入端接所述光耦合器输出侧的集电极以及第十三电阻R13和第六电容C6的一端，第十三电阻的另一端接电源（V3.3D端，3.3v），反相器的输出端接第十四电阻R14和第七电容C7的一端，第十四电阻的另一端接第十五电阻R15和第八电容C8的一端，第十五电阻的另一端接第九电容C9的一端并输出所述模拟信号VIN-Sec，第六电容、第七电容、第八电容和第九电容的另一端接地（此处的地为保护地PGND）。

结合图3、4、5,详述较佳事实例的工作原理：

被测信号通过第一运算放大器U1A组成的电压跟随器，送到第二运算放大器U1B组成的比例放大器，调理成满足第五运算放大器U2输入端电压限制要求的电压信号。U2作为比较器，将电压信号与三角波基准信号Triangle进行比较，参看图2当电压信号大于Triangle时，U2输出低电平；当电压信号小于Triangle时，U2输出高电平。藉此产生PWM信号将被测信号的模拟电压值转换成数字量PWM，模拟电压值信息转换为PWM的占空比信息。光耦合器U3将PWM信号隔离传递到另一边。光耦接收到的PWM信号由于运放的传输比的原因，幅值信号发生失真，但是占空比信息被完整的接收到。收到的PWM信号通过反相器U4，对PWM波形的幅值进行整形，成为幅值稳定的PWM信号，输出方向的PWM信号。随后通过R14、R15、C7、C8、C9进行滤波，将PWM信号转换为模拟信号VIN-Sec，即占空比信息转换为电压幅值信息。VIN-Sec可送至后级MCU的AD转换器。

图4中，通过第三运算放大器U5A和第四运算放大器U5B，用RC充放电的原理产生三角波。三角波的频率，可根据光耦的传输速度、检测精度的要求进行设计。频率越高，检测精度越高，对光耦的传输速度要求越高。在较佳实施例中，三角波基准信号的频率为1KHz至10KHz。

本发明还揭示了一种光耦隔离线性检测电路的实现方法，方法如下：用信号调理模块将被测信号调理成适当幅值的电压信号；用三角波发生模块发生三角波基准信号；用PWM信号发生模块连接所述信号调理模块和三角波发生模块，将所述电压信号与三角波基准信号进行比较生成PWM信号；用光耦隔离模块连接所述PWM信号发生模块，对PWM信号进行隔离；用数模转换模块连接所述光耦隔离模块的输出侧，将隔离后的PWM信号转换为模拟信号并输出。

参看图2，被测信号Vin是模拟信号，其幅值可连续变化，光耦隔离模块本身只有导通和截止两种状态，无法传递的不同幅值，故将被测信号Vin与三角波基准信号Triangle做比较，生成PWM信号VIN-SAM，PWM信号通过改变频率和占空比，可近似地反映模拟信号幅值的连续变化，PWM信号经过隔离后在数模转换模块中又还原成模拟信号VIN-Sec提供给后级的控制电路。

在较佳实施例中，三角波基准信号的频率为1KHz至10KHz。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (9)

1.一种光耦隔离线性检测电路，其特征在于，包括：

信号调理模块，连接被测信号，用以将被测信号调理成适当幅值的电压信号；

三角波发生模块，用以发生三角波基准信号；

PWM信号发生模块，连接所述信号调理模块和三角波发生模块，将所述电压信号与三角波基准信号进行比较生成PWM信号；

光耦隔离模块，输入侧连接所述PWM信号发生模块，输出侧传输隔离后的PWM信号；

数模转换模块，连接所述光耦隔离模块的输出侧，将隔离后的PWM信号转换为模拟信号并输出；

电源模块，用以向各模块提供电源。

2.如权利要求1所述的光耦隔离线性检测电路，其特征在于，所述信号调理模块包括：第一和第二运算放大器，其中

第一运算放大器（U1A）的同相输入端接第一电阻（R1）和第一电容（C1）的一端，第一电阻的另一端接所述被测信号（Vin），第一电容的另一端接地，第一运算放大器的反相输入端接第一运算放大器的输出端和第二电阻（R2）的一端，第二电阻的另一端接第三电阻（R3）和第二电容（C2）的一端，第二电容的另一端接地，第三电阻的另一端接第三电容（C3）、第四电阻（R4）和第五电阻（R5）的一端，第三电容和第四电阻的另一端接地，第五电阻的另一端接第二运算放大器（U1B）的同相输入端，第二运算放大器的反相输入端接第六电阻（R6）和第七电阻（R7）的一端，第六电阻的另一端接地，第七电阻的另一端接第二运算放大器的输出端和第八电阻的一端（R8），第八电阻的另一端输出所述电压信号。

3.如权利要求2所述的光耦隔离线性检测电路，其特征在于，所述三角波发生模块包括：第三和第四运算放大器，其中

第三运算放大器（U5A）反相输入端接第十六电阻（R16）、第十七电阻（R17）、第十电容（C10）、第十一电容（C11）的一端，第十六电阻的另一端接电源，第十七电阻和第十一电容的另一端接地，第十电容的另一端接第三运算放大器同相输入端、第十八电阻（R18）和第二十电阻（R20）的一端，第十八电阻的另一端接第三运算放大器输出端、第十九电阻（R19）和第二十三电阻（R23）的一端，第十九电阻的另一端接电源，第二十电阻另一端接第四运算放大器（U5B）的输出端、第二十四电阻（R24）和第十四电容（C14）的一端，第二十三电阻的另一端接第十三电容（C13）的一端、第四运算放大器的反相输入端、第十四电容的另一端，第四运算放大器的同相输入端接第二十一电阻（R21）、第二十二电阻（R22）、第十二电容（C12）的一端和第十三电容的另一端，第二十一电阻的另一端接电源，第二十二电阻和第十二电容的另一端接地，第二十四电阻的另一端接第十五电容（C15）的一端并送出所述三角波基准信号，第十五电容的另一端接地。

4.如权利要求3所述的光耦隔离线性检测电路，其特征在于，所述PWM信号发生模块包括：第五运算放大器（U2），其反相输入端接所述三角波基准信号，其同相输入端接第九电阻（R9）、第十电阻（R10）、第五电容（C5）的一端以及所述第八电阻（R8）的另一端，第九电阻的另一端接电源，第五电容和第十电阻的另一端接地，第五运算放大器的输出端输出所述PWM信号。

5.如权利要求4所述的光耦隔离线性检测电路，其特征在于，所述光耦隔离模块包括：光耦合器（U3），光耦合器输入侧的阳极接第十一电阻（R11）和第十二电阻（R12）的一端，第十二电阻的另一端和光耦合器输入侧的阴极接所述PWM信号，第十一电阻的另一端接电源，光耦合器输出侧的发射极接地，光耦合器输出侧的集电极输出所述隔离后的PWM信号。

6.如权利要求5所述的光耦隔离线性检测电路，其特征在于，所述数模转换模块包括：反相器（U4），反相器的输入端接所述光耦合器输出侧的集电极以及第十三电阻（R13）和第六电容（C6）的一端，第十三电阻的另一端接电源，反相器的输出端接第十四电阻（R14）和第七电容（C7）的一端，第十四电阻的另一端接第十五电阻（R15）和第八电容（C8）的一端，第十五电阻的另一端接第九电容（C9）的一端并输出所述模拟信号，第六电容、第七电容、第八电容和第九电容的另一端接地。

7.如权利要求6所述的光耦隔离线性检测电路，其特征在于，所述三角波基准信号的频率为1KHz至10KHz。

8.一种光耦隔离线性检测电路的实现方法，其特征在于，

用信号调理模块将被测信号调理成适当幅值的电压信号；

用三角波发生模块发生三角波基准信号；

用PWM信号发生模块连接所述信号调理模块和三角波发生模块，将所述电压信号与三角波基准信号进行比较生成PWM信号；

用光耦隔离模块连接所述PWM信号发生模块，对PWM信号进行隔离；

用数模转换模块连接所述光耦隔离模块的输出侧，将隔离后的PWM信号转换为模拟信号并输出。

9.如权利要求8所述的光耦隔离线性检测电路的实现方法，其特征在于，所述三角波基准信号的频率为1KHz至10KHz。

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