CN107907728A - 一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路 - Google Patents

一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其可包括：信号输入源，用于提供输入信号；信号调理单元，与所述信号输入源相连，用于将所述输入信号转换为幅度和波形相同但极性相反的两个信号；两个光耦单元，与所述信号调理单元相连，分别用于传输所述两个信号；差分运算单元，与光耦单元相连，用于对光耦单元输出的信号进行运算处理；输出电路，与差分运算单元相连，用于将所述差分运算单元运算处理后的信号进行输出。本发明优点在于：改善了由温度偏移引起的信号增益误差问题与信号隔离传输中波形干扰噪声问题，从而实现信号精确的隔离传输。更好的满足了线性光电隔离电路在高电压工业领域的实际应用需求。

Description

一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路
技术领域
本发明涉及高压电气设备测试领域，尤其涉及一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路。
背景技术
在高电压绝缘诊断领域、高压工业应用领域，经常会使用到线性光电隔离电路，并且要求线性光电隔离电路具有较高的精度。目前工业应用上常采用经过V-F转换与模拟光纤结合的方式实现线性信号隔离。但采用电压频率转换芯片，由于其分辨率的限制导致转换精度并不高，并且输入信号的电压范围较小。同时使用线性光耦进行隔离时，由于光耦线性度和转换增益受温度影响较大，存在较大的信号传输误差，因此需要进一步运用转换算法将温度偏移的影响去除掉。对于微弱的待传输信号，上述两种形式都不同程度的引起原始信号波形失真。同时对于采用隔离变压器进行隔离的电路结构，由于变压器通频带的限制，只能应用于频率特定或工频条件下。在高电压绝缘诊断领域的高压放大器而言，不仅要求传输信号波形畸变率小，同时要求信号隔离传输后的电压信号幅值增益稳定。同时由于高电压绝缘诊断中的介电响应方法需要用于多种不同温度的测试环境，因而要求隔离电路具有较高的温度稳定性。上述几点要求表明，现有的信号隔离电路不能很好的满足实际需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路，可改善由温度偏移引起的信号增益误差问题与信号隔离传输中波形干扰噪声问题，从而实现信号精确的隔离传输。更好的满足了线性光电隔离电路在高电压工业领域的实际应用需求。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路，可包括：
信号输入源，用于提供输入信号；
信号调理单元，与所述信号输入源相连，用于将所述输入信号转换为幅度和波形相同但极性相反的两个信号；
两个光耦单元，与所述信号调理单元相连，分别用于传输所述两个信号；
差分运算单元，与所述两个光耦单元相连，用于对所述光耦单元输出的信号进行运算处理；
输出电路，与所述差分运算单元相连，用于将所述差分运算单元运算处理后的信号进行输出。
其中，所述信号调理单元包括运算放大器和与所述运算放大器连接的低温度系数电阻元件。
其中，所述两个光耦单元将所述调理单元输出的两个信号进行隔离以使所述两个信号互不干扰。
其中，所述光耦单元包括线性光耦芯片的线性光耦。
其中，所述差分运算单元包括：
两个运算放大器，分别与所述两个光耦单元相连，用于滤除相连的光耦单元输出的信号中的高频噪声和热噪声；
仪表运算放大器，所述仪表运算放大器的同相端与反相端分别接收所述两个运算放大器输出的信号，并消除接收的信号的共模误差。
其中，所述信号调理单元、所述线性光耦单元、所述差分运算单元以差分结构形式依次连接在一起。
其中，所述运算放大器为OPA227。
其中，所述线性光耦为HCNR201。
其中，所述仪表放大器为AD620。。
本发明实施例的有益效果在于：
本发明的实施例通过一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路，一方面，改善了由温度偏移引起的信号增益误差问题与信号隔离传输中波形干扰噪声问题，从而实现信号精确的隔离传输。更好的满足了线性光电隔离电路在高电压工业领域的实际应用需求；一方面，与通过采用经过V-F转换与模拟光纤结合的方式的隔离电路相比，本发明使用的是差分结构的线性光耦进行传输隔离，对于信号的传输精度较高，同时不会引入高频信号转换误差；一方面，与通过普通线性光耦隔离的方法相比，本发明可以显著提高隔离电路的温度稳定性，减少由于温度变化导致的增益误差；另一方面，与通过变压器隔离的方法相比，本发明可以显著提高隔离电路的通频带，扩宽隔离电路的适用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路的功能结构示意图。
图2是本发明的抑制温度漂移的线性光电隔离电路的一个实施例具体电路组成示意图。
图3为本发明中线性光耦模块HCNR201的一个实施例电路示意图。
图4为本发明中线性光耦模块HCNR201中的反馈电路的一个实施例示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
图1为一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路的功能结构示意图。在图1中，信号S0由信号输入源10发出经由信号调理单元20处理后，生成两个幅值和波形相同但极性相反的信号S1和信号S2，分别送入线性光耦单元30和线性光耦单元31，信号S1与信号S2在各自光耦单元的作用下相互不干扰，信号S1通过线性光耦单元30传输到差分运算单元40，信号S2通过线性光耦单元31传输到差分运算单元40，差分运算单元40中的两组高速运算放大器分别对信号S1，S2通过电容积分进行滤除高频噪声和热噪声后，分别送入到差分运算单元40中的仪表运算放大器的同相端和反相端互减以消除共模误差，最后形成一个信号S输送到信号输出单元50。
作为举例，如图2的一个线性光电隔离电路实施例电路示意图中，信号调理单元运算放大器型号选用OPA227，线性光耦型号选用HCNR201，差分运算单元运算放大器型号选用AD620。电路运行的温度变化范围为-20℃至85℃的区间内。
信号经由U1和U2构成的信号调理电路，通过运算放大器OPA227生成两个幅值和波形相同但极性相反的信号，分别送入传输电路U3和U4中，此时电容C13和C15的作用为提高传输信号的线性度，滤除高频噪声和热噪声，再将信号分别传入差分结构的两个支路。
其中，每条支路所包含的线性光耦HCNR201的内部框图如图3所示，其工作原理为：1、2引脚作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和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，线性系数分别记为K1和K2,即
K1与K2一般很小，并且随温度变化较大，但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。
选用线性光耦HCNR201进行隔离的一些指标如下所示：
*线性度：HCNR201：0.05％；
*线性系数K3：HCNR201：5％；
*温度系数：-65ppm//℃；
*隔离电压：1414V；
*信号带宽：直流到大于1MHz。
从上面可以看出，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离的是电流，要想真正隔离电压，需要在输入和输出处增加运算放大器等辅助电路。接下来对线性光耦HCNR201的典型电路进行分析，对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明：设输入端电压为Vin，输出端电压为Vout，光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2。将图3的电路图提取部分进行分析，得到图4，如图4所示：
设运放负端的电压为Vi，运放输出端的电压为Voo，在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：
Vo＝Voo-GVi (1)
其中是在运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的增益，一般比较大。
忽略运放负端的输入电流，可以认为通过R1的电流为IP1，根据R1的欧姆定律得：
通过R3两端的电流为IF，根据欧姆定律得：
其中,Vcc为光耦2脚的电压，考虑到LED导通时的电压基本不变，这里的作为常数对待。根据光耦的特性，即
K1＝IP1/IF (4)
将和的表达式代入上式，可得：
上式经变形可得到：
KlRl(VDD-Vo0)+K1R1GVi＝R3Vin-R3Vi
将的表达式代入(3)式可得：
考虑到G特别大，则可以做以下近似：
这样，输出与输入电压的关系如下：
可见，在上述电路图3中，输出和输入成正比，并且比例系数只由K3和R1、R2确定，所以在现实运用中一般选R1＝R2，达到只隔离不放大的目的。
回到图2的主电路图中，所以差分结构支路一的增益值由电阻R1和R5、R6的比值决定；差分结构支路二的增益值由电阻R7和R9、R10的比值决定，两组支路的增益相同且电阻元件均具有相同的温度系数。
两路信号通过光耦单元后分别送入U3和U4的电路中，通过运算放大器OPA227，经电容积分后滤除高频噪声和热噪声。
最后两路信号分别送入仪表放大器AD620的同相端和反向端互减以消除共模误差，输出最终的信号。
综上所述，本发明的此实施例中的线性光电隔离电路可以大幅提升电路的温度稳定性，可以将典型的线性光耦的传递增益温度系数由65ppm/℃减小为20ppm/℃左右。避免了环境温度改变对隔离传输结果的影响，可以具有较高的抑制温度漂移影响的能力。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，包括：
信号输入源，用于提供输入信号；
信号调理单元，与所述信号输入源相连，用于将所述输入信号转换为幅度和波形相同但极性相反的两个信号；
两个光耦单元，与所述信号调理单元相连，分别用于传输所述两个信号；
差分运算单元，与所述两个光耦单元相连，用于对所述光耦单元输出的信号进行运算处理；
输出电路，与所述差分运算单元相连，用于将所述差分运算单元运算处理后的信号进行输出。
2.根据权利要求1所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，所述信号调理单元包括运算放大器和与所述运算放大器连接的低温度系数电阻元件。
3.根据权利要求1所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，所述两个光耦单元将所述调理单元输出的两个信号进行隔离以使所述两个信号互不干扰。
4.根据权利要求3所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，所述光耦单元包括线性光耦芯片的线性光耦。
5.根据权利要求1所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，所述差分运算单元包括：
两个运算放大器，分别与所述两个光耦单元相连，用于滤除相连的光耦单元输出的信号中的高频噪声和热噪声；
仪表运算放大器，所述仪表运算放大器的同相端与反相端分别接收所述两个运算放大器输出的信号，并消除接收的信号的共模误差。
6.根据权利要求1所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，所述信号调理单元、所述线性光耦单元、所述差分运算单元以差分结构形式依次连接在一起。
7.根据权利要求2或4所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，所述运算放大器为OPA227。
8.根据权利要求4所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，，其特征在于，所述线性光耦为HCNR201。
9.根据权利要求5所述的抑制温度漂移的线性光电隔离电路，其特征在于，所述仪表放大器为AD620。
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