CN106059566A - 基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法，电路包括线性光电耦合器(简称光耦)U6、第一双运算放大器(简称运放)U2、第二双运放U3、第三双运放U7、四运放U1、数字电位器U8、四模拟开关U4及数模电压转换器U5；U8的B组电位器用于粗调原始输出电压V3的斜率；U5的B组输出电压TJD是临界点电压值；U7的第1组运放构成比较器，通过V3与TJD的比较决定VK为高电平或低电平，从而决定U4的第1组模拟开关无效断开或有效闭合，使VY与V3不通或连接；U8的A组电位器抽头输出WA经过U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13耦合到VA，实现进一步线性化补偿。本发明利用线性光耦实现极高精度的模拟信号隔离，其极限精度好于0.01％。

Description

基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及线性光电耦合器的研究领域，特别涉及一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法。

背景技术

凡是需要信号隔离或变换的场合，都需要信号隔离器。其应用领域几乎与行业无关，因为任何行业都可能需要信号的隔离传输、变换传输或采集控制。模拟信号线性隔离的方法通常有电磁隔离型、电容耦合隔离型和光电隔离型三大类，它们自身的物理特性即极限线性度均为0.1％，从而决定了各种信号隔离器产品的极限精度均为0.1％。信号隔离的作用是为了解决地环流干扰问题(尤其是强弱电地线不能直接相连的问题)、自然干扰问题(比如雷电干扰)、人为干扰问题(比如工作环境的各种电磁辐射)等，避免输入端和输出端电路系统因接地点不同所带来的误差以及相互干扰，避免输出端电路与输入端电路故障的相互影响，提高抗干扰能力。利用光电耦合器(简称光耦)实现电信号的线性隔离在体积、成本、抗干扰能力和电路复杂度等方面具有一定的优势，因此得到广泛的应用。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的AD202，能够在从直流到几K的频率范围内提供0.025％的极限线性度，但这种隔离器件内部先进行电压～频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率～电压转换达到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。

采用光藕实现的隔离，分为数字信号隔离和模拟信号隔离。数字信号的光耦隔离方法简单，而模拟信号的光耦隔离则要复杂得多，既要达到隔离效果，又要尽可能地保证模拟信号的线性传输。为了提高极限精度，开发了以HCNR201(Agilent公司)、LOC210(CLARE公司)、TIL300(TI子公司TOAS)、SLC800(SOLID公司)等为代表的一系列带有自身线性化负反馈的线性光耦，这些线性光耦不仅提高了线性度(最好可达0.01％)，同时还改善了温度特性和频率特性，有力促进了光电隔离型产品的应用。

随着科学技术的发展，工农业生产、自动控制尤其是涉及航空航天业或军事应用，都对信号隔离器提出了更高要求，即精度需要好于0.01％，成本低，温度范围宽，工作频率较高等。而目前线性光耦的极限线性度为0.01％的水平(批量芯片的线性度一般为0.05％的水平)，叠加电路系统前后级的各种误差后，实现传输精度好于0.01％是根本不可能的，虽然线性光耦基本满足了低成本、宽温度范围及较高工作频率的要求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法，实现了利用线性光电耦合器的极高精度模拟信号隔离，其极限精度好于0.01％。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，包括线性光电耦合器U6、第一双运算放大器U2、第二双运算放大器U3、第三双运算放大器U7、四运算放大器U1、双100K数字电位器U8、四模拟开关U4以及数字模拟电压转换器U5；电流经第二双运算放大器U3的L端输入后转换成1-5V的电压，该电压经过线性光电耦合器U6处理后输出到第一双运算放大器U2，所述线性光电耦合器U6、第二双运算放大器U3和第一双运算放大器U2构成典型隔离电路，双100K数字电位器U8的B组电位器作为可调电阻串入U2的第1组运放输出电压V2的负载电阻中进行粗调原始输出电压的斜率，数字模拟电压转换器U5的B组输出电压TJD是临界点电压值，当V3小于TJD时，由第三双运算放大器U7的第1组运放构成的比较器决定VK＝5.0V高电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关无效断开，VY与V3不通，双100K数字电位器U8的A组电位器抽头输出WA＝TJD经过第三双运算放大器U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13耦合到VA，当V3大于TJD时，VK＝0.0V低电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关有效闭合，VY＝V3，WA与VY相关实现线性光耦的进一步线性化补偿。

作为优选的技术方案，所述线性光电耦合器U6采用HCNR201线性光电耦合器，所述第一双运算放大器U2和第二双运算放大器U3均采用AD822运算放大器，所述HCNR201线性光电耦合器和两个AD822运算放大器共同构成HCNR201典型隔离电路。

作为优选的技术方案，所述VA位于2.5伏附近，所述VA主要由电阻R10与R12分压决定；数字模拟电压转换器U5的A组输出电压TZB用于调节输出特性曲线的零点，四运算放大器U1的第4运放构成加法电路，实现V3＝V2与VA1＝VA的合成，形成最终输出电压Vo＝V4。

作为优选的技术方案，还包括CS、CS1、CK和SD单片机控制数字脚，通过单片机控制数字脚与数字模拟电压转换器U5和电位器U8通信，设定或动态调整参数。

作为优选的技术方案，根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，所述临界点电压值位于2.5V～3.5V的范围内。

作为优选的技术方案，调整之后的输出电压的斜率为0.25伏/毫安。

本发明还提供了一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路的实现方法，包括下述步骤：

S1、将电流传输误差转换为电压传输误差，所述电压传输误差的传输误差包络图大致呈抛物线形状；

S2、取抛物线的顶点位置，该顶点电压值定义为临界点电压TJD；

S3、判断抛物线的开口方向是向上还是向下；

S4、当误差抛物线的开口向下时，若输出电压V3大于TJD，则VK＝0.0V，VY＝V3，WA以TJD为基数将一定比例的V3与TJD的差值通过电阻R13耦合到VA，实现线性光耦的进一步线性化补偿；

S5、如果误差抛物线的开口向上，只需将第三双运算放大器U7的第1组运放比较器的比较输入端V3与TJD位置互换，基于步骤S4的同样的方法，实现线性光耦的进一步线性化补偿。

作为优选的技术方案，在进行线性补偿之后，抛物线变成基于临界点左右大致对称的两条抛物线，当补偿合理时，两条抛物线的顶点基本等高，三个最低点也基本等高。

作为优选的技术方案，步骤S4中，双100K数字电位器U8的A组抽头WA对VY＝V3的采样比例进行调整，但是耦合到VA的补偿值始终是线性的。

作为优选的技术方案，进一步包括下述步骤：

对最终输出电压Vo的斜率进行工作温度范围内的动态细调，其调节方法与WA的调节方法相同。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明实现了利用线性光耦的极高精度模拟信号隔离器的批量自动化生产，其中线性光耦的极限线性度通过进一步线性化后均可好于0.003％，信号隔离器的极限精度均好于0.01％。

2、本发明利用常规廉价的线性光耦HCNR201，通过临界点线性加减补偿算法，实现了线性光耦的极限线性度的有效突破，HCNR201的极限线性度从最好0.01％(批量芯片0.05％)提高到全工作温度范围内(-20度到+60度)线性度均可好于0.003％，使信号隔离器产品的精度大幅提高，克服了光耦隔离的缺陷，充分发挥了光耦隔离的自身优势。实验表明，临界点线性加减补偿算法对于其他类型的线性光耦或非线性光耦同样适用，均可大幅改善线性度，具有普遍意义。

附图说明

图1是本发明HCNR201的结构框图；

图2是本发明HCNR201的典型应用原理图；

图3是本发明电路的结构示意图；

图4是本发明线性光耦HCNR201的电流传输误差包络图；

图5是本发明实施例中无补偿误差结果示意图；

图6是本发明实施例中合理补偿误差结果示意图；

图7是本发明实施例中欠补偿结果示意图；

图8是本发明实施例中过补偿结果示意图；

图9是本发明实施例中典型的输入～输出传输特性曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例根据图2的典型应用原理图设计的用线性光耦HCNR201实现隔离并进一步线性化的部分实际电路如图3所示。U6是线性光耦HCNR201，U2、U3和U7都是双运算放大器(简称运放)AD822，U1是四运放AD824，U8是双100K数字电位器MAX5415，U4是四模拟开关MAX4604，U5是双10位数字模拟电压转换器LTC1661，G15V是输入端(被隔离端或称前端)的隔离15V电源，N是输入端地线，L是输入端电流4～20mA的输入点，该电流通过电阻R6＝250欧姆转换为1～5V的电压(当取消电阻R6时，L就成为隔离电压信号的输入点)。电阻R7＝550千欧等效图2中的R1，使IPD1的工作电流范围位于约1.8～9.0微安，R1＝500千欧与U8的B组串联构成图2中的电阻R2，其中U8的B组用于粗调原始输出电压V2＝V3的斜率，使之接近0.25(单位：伏/毫安)。U5的B组输出电压TJD是十分关键的临界点电压值(一般取3.0V为宜，可以适当调整)。当V3小于TJD时，由U7的第1组运放构成的比较器决定VK＝5.0V高电平，U4的第1组模拟开关无效断开，VY与V3不通，U8的A组电位器抽头输出WA＝TJD经过U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13＝2兆欧耦合到VA。当V3大于TJD时，VK＝0.0V低电平，U4的第1组模拟开关有效闭合，VY＝V3，WA与VY相关实现线性光耦的进一步线性化补偿。电阻R10与R12分压决定VA位于2.5伏附近，U5的A组输出电压TZB用于调节输出特性曲线的零点，U1的第4运放构成加法电路，实现V3＝V2与VA1＝VA的合成，形成最终输出电压Vo＝V4(当然也可以改变电路实现任意量程的比例电流输出)。CS、CS1、CK和SD为单片机控制数字脚，与U5、U8通信以设定或动态调整有关参数。15V、5V、2.5V为输出端模拟及基准电源，GND为地，其余标号为网络连线标识。

HCNR201是Agilent公司生产的一种高精度线性光耦器件，线性度最佳值为0.01％，一般批量线性度为0.05％，同时，该器件有高达1.0MHz的带宽，较低的增益温度系数。这些特征决定了该芯片在模拟信号的隔离中有着广泛的应用。该芯片设计灵活，通过应用电路的适当设计可以有很多种工作模式，包括单极/双极、AC/DC以及反相和同相，HCNR201为许多模拟信号隔离问题提供了卓越的解决方案。

HCNR201高线性模拟光耦内含一个高性能AlGaAs-LED和两个高度匹配的光二极管(如图1所示)。输入光二极管可以用来反馈监测并稳定LED的光度输出，因此LED的非线性和漂移特性几乎被消除，输出光二极管会产生线性对应LED光输出的光电流，光二极管间的紧密匹配和先进的封装设计可以确保光耦的高线性度和稳定增益。

HCNR201的主要参数及技术指标：最佳线性度为0.01％，转换增益K3(IPD2/IPD1)的变化范围为±5％，转换增益K3的温度系数最大值为-65ppm/℃，DC～1.0MHz的高带宽，通过全球安全规范认证(UL1577 Recognized-5kVrms/1min、CSA Approved、BSI Certified、VDE 0884 Approved-Viorm＝1414Vpeak-option#050)、提供表面贴装或8-pin DIP封装。

HCNR201的结构框图如图1所示，典型应用原理图如图2所示(取自器件性能参数说明书)。图1中，1、2引脚作为隔离信号的输入控制脚，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出(7、8引脚不用)。1、2引脚之间的LED电流为IF，3、4引脚之间的电流为IPD1，5、6引脚之间的电流为IPD2。输入信号经过电压～电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，比例系数分别为K1和K2，即：K1＝IPD1/IF，K2＝IPD2/IF。转换增益K3＝K2/K1＝IPD2/IPD1。分析图2可知，当LED发光强度增加时，光二极管PD1的受光量会增加，导致IPD1变大，运算放大器A1的反相输入端电位降低，A1的输出端电位升高，从而使LED的电流变小，LED发光量减少；反之亦然，于是稳定了LED的发光量，同时稳定了IPD2，使运算放大器A2的输出稳定。采用负反馈技术，拓展了工作频率带宽，大幅改善温度稳定性。

由图4可知，在IPD1的有效范围内(约0～50微安)，IPD2的误差呈类似抛物线波动。实际的IPD1的工作电流范围位于约1.8～9.0微安，工作电流较小，功耗较低，有利于减小长期使用的老化效应并大幅延长器件寿命。

图5为没有经过补偿的原始误差结果典型示例(纵坐标单位：微伏，横坐标范围：0.0V～5.0V，下同)，与图4的理论说明一致。实测表明，多数HCNR201的电流传输误差抛物线的开口向下(电流范围位于约1.8～9.0微安时，图5中电流误差已经被转换为输出电压误差)，少数开口向上。无论误差抛物线的开口是向下还是向上，顶点位置一般位于输出电压的3.0V附近(通常略小)，将该顶点电压值定义为临界点(电压)，由图3中的TJD控制。当误差抛物线的开口向下时，若输出电压V3大于TJD，则VK＝0.0V，VY＝V3，WA以TJD为基数将一定比例的V3与TJD的差值通过R13耦合到VA，实现线性光耦的进一步线性化(加)补偿。如果误差抛物线的开口向上，只需将图3中U7的第1组运放比较器的比较输入端V3与TJD位置互换，即可实现线性光耦的进一步线性化(减)补偿，原理相同。合理补偿误差结果如图6所示。

从图6可以看出，误差抛物线变成基于临界点左右大致对称的两条抛物线，当补偿合理时，两条抛物线的顶点基本等高，三个最低点也基本等高。数字电位器U8的A组抽头WA对VY＝V3的采样比例可以调整，但是耦合到VA的补偿值始终是线性的，故称为线性补偿。实测表明，在不同的温度下，图5中的原始误差抛物线的开口程度不同，因此最佳补偿比例也不同，这可以通过单片机控制U8的A组电位器在生产过程中扫描整个工作温度范围，采取一定算法动态实现。由于线性光耦转换增益K3存在温度系数，还需对图3中最终输出电压Vo的斜率进行工作温度范围内的动态细调，具体算法与调节WA完全相同，具体电路设计细节从略。如图7所示为欠补偿结果，如图8所示为过补偿结果。

通过上述临界点线性加减补偿算法的电路实现，在整个工作温度范围内输出误差大幅减小，输入～输出传输特性曲线的最小二乘法线性拟合相关系数r非常接近于1.0(取33个点，r≥0.999999999)，非线性误差极小，线性度好于0.003％。典型的输入～输出传输特性曲线如图9所示(纵坐标为输出电压Vo：0～5V，横坐标为输入电流IL：0～20mA)。特性曲线可以表示为：Vo＝k*IL+b，其中k是拟合直线的斜率，b是零点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，包括线性光电耦合器U6、第一双运算放大器U2、第二双运算放大器U3、第三双运算放大器U7、四运算放大器U1、双100K数字电位器U8、四模拟开关U4以及数字模拟电压转换器U5；电流经第二双运算放大器U3的L端输入后转换成1-5V的电压，该电压经过线性光电耦合器U6处理后输出到第一双运算放大器U2，所述线性光电耦合器U6、第二双运算放大器U3和第一双运算放大器U2构成典型隔离电路，双100K数字电位器U8的B组电位器作为可调电阻串入U2的第1组运放输出电压V2的负载电阻中进行粗调原始输出电压的斜率，数字模拟电压转换器U5的B组输出电压TJD是临界点电压值，当V3小于TJD时，由第三双运算放大器U7的第1组运放构成的比较器决定VK＝5.0V高电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关无效断开，VY与V3不通，双100K数字电位器U8的A组电位器抽头输出WA＝TJD经过第三双运算放大器U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13耦合到VA，当V3大于TJD时，VK＝0.0V低电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关有效闭合，VY＝V3，WA与VY相关实现线性光耦的进一步线性化补偿。

2.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，所述线性光电耦合器U6采用HCNR201线性光电耦合器，所述第一双运算放大器U2和第二双运算放大器U3均采用AD822运算放大器，所述HCNR201线性光电耦合器和两个AD822运算放大器共同构成HCNR201典型隔离电路。

3.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，所述VA位于2.5伏附近，所述VA主要由电阻R10与R12分压决定；数字模拟电压转换器U5的A组输出电压TZB用于调节输出特性曲线的零点，四运算放大器U1的第4运放构成加法电路，实现V3＝V2与VA1＝VA的合成，形成最终输出电压Vo＝V4。

4.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，还包括CS、CS1、CK和SD单片机控制数字脚，通过单片机控制数字脚与数字模拟电压转换器U5和双100K数字电位器U8通信，设定或动态调整参数。

5.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，所述临界点电压值位于2.5V～3.5V的范围内。

6.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，调整之后的输出电压的斜率为0.25伏/毫安。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、将电流传输误差转换为电压传输误差，所述电压传输误差的传输误差包络图大致呈抛物线形状；

S2、取抛物线的顶点位置，该顶点电压值定义为临界点电压TJD；

S3、判断抛物线的开口方向是向上还是向下；

S4、当误差抛物线的开口向下时，若输出电压V3大于TJD，则VK＝0.0V，VY＝V3，WA以TJD为基数将一定比例的V3与TJD的差值通过电阻R13耦合到VA，实现线性光耦的进一步线性化补偿；

S5、如果误差抛物线的开口向上，只需将第三双运算放大器U7的第1组运放比较器的比较输入端V3与TJD位置互换，基于步骤S4的同样的方法，实现线性光耦的进一步线性化补偿。

8.根据权利要求7所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路的实现方法，其特征在于，在进行线性补偿之后，抛物线变成基于临界点左右大致对称的两条抛物线，当补偿合理时，两条抛物线的顶点基本等高，三个最低点也基本等高。

9.根据权利要求7所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路的实现方法，其特征在于，步骤S4中，双100K数字电位器U8的A组抽头WA对VY＝V3的采样比例进行调整，但是耦合到VA的补偿值始终是线性的。

10.根据权利要求7所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路的实现方法，其特征在于，进一步包括下述步骤：

对最终输出电压Vo的斜率进行工作温度范围内的动态细调，其调节方法与WA的调节方法相同。