CN1057555A - 模拟信号调制解调隔离电路及用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟信号隔离处理的调制 解调电路。该电路包括一个定频占空比可调脉冲调 制部分和一个解调部分，两部分之间用光电耦合器隔 离。在调制部分，模拟输入电压量和取自脉宽调制器 的解调反馈电压量经比较分析，对脉宽调制器的实行 占空比调节，而解调部的解调器与调制部分的反馈解 调器为相同的积分器，从而获得与输入模拟电压一致 的输出电压。本发明精度高而生产成本低，适用于对 时滞要求不高的模拟信号隔离场合，如模拟信号放大 器和计算机监控系统。

Description

本发明涉及一种用于模拟信号隔离处理的调制解调电路，具体说是一种脉宽调制解调电路。

在计算机控制和热工仪表自动控制中，需对输入或输出的模拟信号进行隔离处理，以防止不同控制信号之间的干扰以及环境对控制系统的干扰。通常控制系统对模拟信号的隔离处理要求相当的精度但允许一定的时滞。模/数转换是控制中常用的一种方法，但由于成本较高且易击穿，限制了该方法的应用。调频、调幅-解调也可用于模拟信号隔离，但线路复杂，噪声及温漂大。热工仪表中用磁饱和放大器来完成模拟信号的隔离，为了达到规定的误差精度，对磁饱和放大器的磁性材料及其工艺要求十分严格，导致成本较高，成品率低，质量不稳定。实际生产中这种放大器中所用的磁环的一级品率仅能达到10-20%。

本发明的目的是公开一种特别适用于工业控制用的模拟信号隔离电路。

这种模拟信号隔离电路是一种对信号进行调制-隔离-解调处理的电路。其调制部分是一个脉宽调制电路，包括比较器，脉宽调制器和反馈解调器，比较器是一个电压比较器，其同相和反相输入端分别输入模拟电压信号和来自解调器的反馈电压信号;比较器产生的信号控制脉宽调制器，产生占空比与输入模拟信号成正比的脉冲输出;反馈解调器是一个积分器，输入信号取自脉宽调制器。其解调电路包括整形器和解调器，解调器与调制电路的反馈解调器相同。在调制电路与解调电路之间设置光电耦合器作为隔离器。

本发明的工作机理为比较器的输入端分别为输入模拟电压信号及反馈解调电压信号，当两个电压信号不同时，引起比较器输出信号的变化，增加或减少，对输入脉宽调制器进行定频率脉冲占空比调制，改变占空比，使反馈解调电压与模拟信号相同，形成闭环调制。

调制后脉冲信号经光电隔离耦合到解调器，由于使用了与反馈解调器相同的解调电路，从而保证经隔离后的输出信号与输入模拟信号一致。

解调积分电路的一种最佳方案是使用RC积分电路，RC的时间常数影响积分输出电压的波纹值，较大的RC值能降低波纹电压，但其本身又受精度和时滞值的影响。从工业控制实际要求出发，一个较宽的时滞值可使精度和波纹电压同时满足使用需要。

一个特别适用于放大器用的隔离器，其RC值取50-100ms，在精度为10^-4数量级时，时滞为0.35-0.7S（国标为1秒），从而降低成本保证了精度要求。

误差直接影响电子电路的应用价值。本发明涉及的电路存在两类误差，一类是系统误差，如隔离器两侧电源电压引入的比例误差，运放的失调电压、光电耦合器的时滞所引入的常数电压差等，这类误差可采用补偿方法基本加以消除而不影响精度。另一误差是偶然误差，如温漂及非线性误差等。本发明采用常规元件如78系列稳压块，741类运放块，4N25系列光电耦合器等，线路总温漂不超过10^-4/℃数量级，非线性误差不超过70dB，作为伺服放大器，其误差远低于国标规定值。

本发明所提供的模拟信号隔离电路可广泛用于工业控制中。一种用途是替代磁环伺服放大器中的磁饱和电抗器，作为电动伺服放大器中的信号隔离器。另一种用途是作为计算机监控系统的信号隔离器，设置在输入模拟信号与模/数转换器之间，或设置在数/模转换器与控制执行机构之间。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明的电路框图，

图2是本发明的一种具体线路图，

图3是本发明在伺服放大器中应用实例，

图4是本发明在计算机工业控制系统中的应用实例。

图1中模拟信号以电压信号输入方式输入比较器，反馈解调器向比较器输入解调反馈电压信号，经电压比较器比较后，控制脉宽调制器，产生占空比与输入信号成正比的定频脉冲输出。上述比较器，脉宽调制器和反馈解调器，组成调制系统，脉冲输出经光电耦合隔离器，输到由整形器和解调器的解调系统。整形器将经光电耦合器隔离衰减的脉冲幅度恢复到原状，经解调器解调，输出与输入模拟电压一致的输出电压。

图2公开一种实用电路，主部件是LM741、NE556、74LS04和一个光电耦合器，积分器由R_A、C_A和R_B、C_B组成，两块相同的稳压集成块（未画出）分别向光电耦合器的两侧的电路供电。输入模拟电压Uin和反馈解调电压以Vn和Vp输入比较器LM741，比较器的输出电压Vo输入NE556的控制端Vc，对脉冲宽度进行调制，从NE556的E端输出脉冲信号一路经反馈积分器R_A、C_A形成反馈电压Vp，另一路由光电耦合器隔离后输入解调系统。74LS04对隔离后的脉冲整形复原，积分器R_B、C_B的参数与R_A、V_A完全一致，从而输出使输出信号Uout与输入信号Uin一致。本电路实测指标为当RC＝50ms时

温漂≤10^-5/℃

非线性-60dB

输入信号  2.5-5.5V

输出波纹电压≤150mv

时滞  0.2ms

以上数据大部分优于理论计算结果。

图3是伺服放大器的原理框图。图中隔离器1-3采用本发明所提供的调制-解调电路，替代老式的磁环，使精度有所提高，而生产成本大幅下降。产品性能按电动伺服放大器实行的两种地方标准检测，全部合格。

图4是本发明在计算机工业控制中应用示意图。在传感器与A/D转换器及D/A转换器与执行器之间所加设的隔离器是本发明提供的调制-隔离-解调电路，既可提高控制系统的抗干扰能力，还可使原计算机控制系统中光电隔离之外的部件，如A/D转换器并/串转换器等得到保护，而这部分部件价值较增设部件的价值要高出几十倍仍至上百倍。

本发明的优点是

（1）解决模拟信号隔离的困难，电路的各种性能完全能满足对时滞无过高要求的使用场合。

（2）采用低价通用电子元件，适合现代化工业生产要求。

（3）生产成本低，产品质量易控制。

Claims (5)

1、一种用于模拟信号隔离处理的调制解调电路，其特征是该电路的调制部分是一个脉宽调制电路，该电路的解调部分是一个脉冲积分解调电路，在调制部分与解调部分之间经光电耦合器隔离，其中：

(A)所述脉宽调制电路包括比较器、脉宽调制器和反馈解调器，

(A、1)所述的比较器是一个输入模拟信号电压和解调反馈电压的电压比较器，

(A、2)所述脉宽调制器是一个定频占空比可调方波发生器，脉宽调制信号取自比较器输出信号，

(A、3)所述反馈解调器是一个脉冲积分器，输入信号取自脉宽调制器输出信号，该积分器的输出电压反馈至比较器输入端，

(B)所述脉冲积分解调电路包括整形器和解调器，该解调器与调制部分的反馈解调器相同。

2、按权利要求1所述的调制解调电路，其特征是所述反馈解调器和解调器是RC积分器。

3、按权利要求2所述的调制解调电路，其特征是所述RC积分器的时间常数为50-100ms。

4、按权利要求1所述的模拟信号隔离处理调制解调电路，作为电动伺服放大器的输入模拟信号隔离器。

5、按权利要求1所述的模拟信号隔离处理的调制解调器，作为计算机监控系统的模拟信号隔离器。

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