CN110635799A - 一种基于光耦的模拟信号隔离电路 - Google Patents

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仲启亮
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Abstract

本发明涉及一种基于光耦的模拟信号隔离电路，属于电子线路技术领域，解决包括负电压的交直流模拟信号的隔离传递问题，电路包括用于滤波和电压幅度压缩的滤波与压缩电路，用于将压缩后的模拟信号升压到正电压的升压电路，基于光耦的隔离电路，用于将隔离电路输出信号进行放大滤波后进行的模拟信号恢复的放大滤波电路。本发明实现了包括正、负电压的交、直流模拟信号的隔离传递；电路线性度较好，带宽较高；并且电路简单，组成器件均为常用器件，成本低，便于推广，经济价值高。

Description

一种基于光耦的模拟信号隔离电路
技术领域
本发明涉及电子线路技术领域，尤其是一种基于光耦的模拟信号隔离电路。
背景技术
目前电路中常用的模拟信号的隔离方案一般采用隔离变压器芯片和光耦芯片形式。但采用隔离变压器进行模拟信号的隔离电路存在分辨率和带宽低、体积大的缺点，同时零偏也较大；而目前采用光耦芯片进行模拟信号的隔离电路一般只能对正电压信号进行隔离，即隔离前、后的电压均为正信号，限制了对包括负电压的交直流模拟信号的隔离传递应用。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于光耦的模拟信号隔离电路，解决包括负电压的交直流模拟信号的隔离传递问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明公开了一种基于光耦的模拟信号隔离电路，包括滤波与压缩电路、升压电路、隔离电路和放大与滤波电路；
所述滤波与压缩电路，用于将输入模拟信号Vi进行滤波后，按照设定的压缩比进行幅度压缩，输出幅度压缩后的模拟信号V1i；
所述升压电路，用于对所述幅度压缩后的模拟信号V1i进行升压，得到正电压信号V2i；
所述隔离电路，采用光耦进行信号隔离，用于按照设定的传输比，对输入的正电压信号V2i进行隔离传输，输出隔离后的正电压信号V3i；
所述放大与滤波电路，用于对隔离后的正电压信号V3i进行降压、放大和滤波后，输出隔离后的模拟信号Vo。
进一步地，所述输入模拟信号Vi包括幅度在设定范围内的包含有负电压的交流信号。
进一步地，所述设定的压缩比，用于匹配所述输入模拟信号Vi与隔离电路中光耦的工作线性区的幅度范围；使幅度压缩后的模拟信号V1i的幅度范围不大于光耦工作线性区的幅度范围。
进一步地，所述滤波与压缩电路包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1和运放芯片U1；
所述电阻R1和电容C1串联后与电阻R2并联在模拟信号Vi的输入端与地线GND1之间；
电阻R1和电容C1连接端与运放芯片U1的同相输入端5脚连接，运放芯片U1的反向输入端6脚与输出端7脚连接；
运放芯片U1的输出端7脚与地线GND1之间串联电阻R3与R4；
电阻R3与R4的连接端输出幅度压缩后的模拟信号V1i；
所述设定的压缩比为R4：(R3+R4)。
进一步地，所述升压电路包括运放AD620AR，所述运放AD620AR的2脚通过电阻R5接地，3脚接入幅度压缩后的模拟信号V1i，4脚接入电源Vss，5脚接入参考正电压Vref1，7脚接入电源Vcc，6脚输出正电压信号V2i；实现同向加法运算V2i＝V1i+Vref1。
进一步地，所述隔离电路包括运放芯片U3、光耦芯片U4、电阻R7、R8、R9、R10；所述光耦芯片U4为HCNR201-300；
所述运放芯片U3的同相输入端通过电阻R7连接正电压信号V2i，反向输入端通过电阻R9连接地线GND1，运放芯片U3的输出端通过电阻R8连接光耦芯片U4的2脚；
光耦芯片U4的1脚连接地线GND1，3脚与所述运放芯片U3的供电电源Vcc1连接，4脚通过电阻R9连接地线GND1，6脚连接电源Vcc2,5脚通过电阻R10连接地线GND2；5脚与电阻R10的连接端输出隔离后的正电压信号V3i；
所述电源Vcc1、地线GND1与电源Vcc2和地线GND2隔离；
所述设定的传输比为R9：R10。
进一步地，所述R9与R10的电阻值相等，电阻值误差控制在1％以内，电源Vcc1和Vcc2相等，使所述隔离电路的传输比为1:1。
进一步地，所述放大与滤波电路包括运放芯片U5、U6、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、电容C4；
所述运放芯片U5的反相输入端通过电阻R11连接隔离后的正电压信号V3i，通过电阻R12连接参考电压Vref2，通过电阻R13连接运放芯片U5的输出端；
所述电阻R14与电容C4串联在所述运放芯片U5的输出端与地线GND2之间；
所述运放芯片U6的反相输入端通过电阻R15与电阻R14与电容C4的连接端连接，所述运放芯片U6的同相输入端与输出端之间连接电阻R16；
所述运放芯片U6的输出端输出隔离后的模拟信号Vo。
进一步地，所述电路的传输比例
Figure BDA0002247559410000031
Figure BDA0002247559410000032
进一步地，通过设置R11＝R12，Vref1＝Vref2，R15＝R16，R13/R11＝(R3/R4+1)，R11＝R12，使所述电路的传输比例K＝1，得到等比例传输的模拟信号隔离电路。
本发明有益效果如下：
1、本发明实现了包括正、负电压的交、直流模拟信号的隔离传递；
2、通过对输入的模拟信号进行幅度压缩使用于隔离传递的光耦工作于线性区，使得信号传递的线性度好、带宽较高；
3、电路的传输比例可调；
4、电路简单，组成器件均为常用器件，成本低，便于推广，经济价值高。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的模拟信号隔离电路原理框图；
图2为本发明实施例中的滤波与压缩电路连接示意图；
图3为本发明实施例中的升压电路连接示意图；
图4为本发明实施例中的隔离电路连接示意图；
图5为本发明实施例中的放大与滤波电路连接示意图；
图6为本发明实施例中的模拟信号隔离电路总的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本实施例公开了一种基于光耦的模拟信号隔离电路，如图1所示，包括顺序连接的滤波与压缩电路、升压电路、隔离电路和放大与滤波电路；
所述滤波与压缩电路，用于将输入模拟信号Vi进行滤波后，按照设定的压缩比进行幅度压缩，输出幅度压缩后的模拟信号V1i到所述升压电路；
所述升压电路，用于对所述幅度压缩后的交流模拟信号V1i进行升压，得到正电压信号V2i输出到隔离电路；
所述隔离电路，采用光耦进行信号隔离，用于按照设定的传输比，对输入的正电压信号V2i进行隔离传输，输出隔离后的正电压信号V3i到放大滤波电路；
所述放大与滤波电路，用于对隔离后的正电压信号V3i进行降压、放大和滤波后，输出隔离后的模拟信号Vo。
具体的，本实施例的输入模拟信号Vi无需限定为直流正电压信号，可以为幅度在设定范围内的包括正、负电压的交、直流模拟信号。
由于，输入的模拟信号Vi的幅度范围更大可能会超出隔离电路中光耦的工作线性区，从而影响隔离电路的正常工作，因此，所述滤波与压缩电路对输入模拟信号Vi的幅度按照设定的压缩比进行压缩，用于匹配输入模拟信号Vi与隔离电路中光耦的工作线性区的幅度范围；使幅度压缩后的模拟信号V1i的幅度范围不大于光耦工作线性区的幅度范围。
如图2所示，所述滤波与压缩电路包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1和运放芯片U1；
所述电阻R1、R2和电容C1组成RC低通滤波器电路，滤除输入模拟信号Vi中的噪声信号。具体的电路连接包括：
所述电阻R1和电容C1串联后与电阻R2并联在模拟信号Vi的输入端与地线GND1之间；电阻R1和电容C1连接端作为滤波输出端输出滤波后的模拟信号；通过设定电阻R1、R2和电容C1的阻容参数可设置成不同带宽的低通滤波器。
所述运放芯片U1接成电压跟随器电路，用于提高电路的驱动能力。具体的电路连接为，电阻R1和电容C1连接端与运放芯片U1的同相输入端5脚连接，运放芯片U1的反向输入端6脚与输出端7脚连接；输出端7脚为电压跟随器电路的输出端；
所述电阻R3与R4连接成比例电路，用于对电压跟随器电路输出的电压进行比例提取，实现电压幅度压缩。具体的电路连接包括：
运放芯片U1的输出端7脚与地线GND1之间串联电阻R3与R4；电阻R3与R4的连接端输出幅度压缩后的模拟信号V1i；
通过设定R3、R4的阻值参数，设定电路的压缩比为R4：(R3+R4)。
由于输入模拟信号Vi可能为包括负电压的交流信号，经过滤波与压缩后的模拟信号V1i同样包括负电压，而后级的电路只能对正电压信号进行隔离，因此在电路中增加升压电路，消除负电压。所述升压电路实现同向加法运算V2i＝V1i+Vref1，通过同向加法运算使V2i为正电压信号，式中，Vref1为参考正电压，大于V1i中的负电压。
如图3所示，所述升压电路包括运放AD620AR，所述运放AD620AR的2脚通过电阻R5接地，3脚接入幅度压缩后的模拟信号V1i，4脚接入电源Vss，5脚接入参考正电压Vref1，7脚接入电源Vcc，6脚输出正电压信号V2i，以实现同向加法运算V2i＝V1i+Vref1。
如图4所示，所述隔离电路包括运放芯片U3、光耦芯片U4、电阻R7、R8、R9、R10；所述光耦芯片U4为HCNR201-300；
所述运放芯片U3的同相输入端通过电阻R7连接正电压信号V2i，反向输入端通过电阻R9连接地线GND1，运放芯片U3的输出端通过电阻R8连接光耦芯片U4的2脚；
光耦芯片U4的1脚连接地线GND1，3脚与所述运放芯片U3的供电电源Vcc1连接，4脚通过电阻R9连接地线GND1，6脚连接电源Vcc2,5脚通过电阻R10连接地线GND2；5脚与电阻R10的连接端输出隔离后的正电压信号V3i
所述电源Vcc1、地线GND1与电源Vcc2和地线GND2隔离；
所述设定的传输比为R9：R10。
在所述隔离电路接入正电压信号V2i后，运放芯片U3的输出端通过电阻R8输出正电压到光耦芯片U4的2脚，经光耦芯片U4内部正向连接在2脚、1脚的发光二极管到地线GND1组成通路，使发光二极管发光；光耦芯片U4发光二极管发光，使光耦芯片U4内部正向连接在4脚、3脚的受光二极管、正向连接在5脚、6脚的受光二极管导通，电源Vcc1通过光耦芯片U4内部正向连接在4脚、3脚的受光二极管、电阻R9到地线GND1组成通路；电源Vcc2通过光耦芯片U4内部正向连接在5脚、6脚的受光二极管、电阻R10到地线GND2组成通路；电阻R9的压降与接入的正电压信号V2i保持一致，电阻R10的压降由电阻R9、R10的阻值比以及电源Vcc1和Vcc2的大小来确定。
当隔离电路将输入的信号以1:1进行隔离传输时，应使电源Vcc1和Vcc2相等，所述R9与R10的电阻值相等，电阻值误差控制在1％以内。
如图5所示，所述放大与滤波电路包括运放芯片U5、U6、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、电容C4；
所述电阻R11、R12、R13与运放芯片U5组成反向加法器电路，用于将对隔离后的正电压信号V3i进行反向、比例放大和降压运算，输出反向电压信号。具体的电路连接包括：所述运放芯片U5的反相输入端通过电阻R11连接隔离后的正电压信号V3i，通过电阻R12连接参考电压Vref2，通过电阻R13连接运放芯片U5的输出端；实现的反向加法运算为
Figure BDA0002247559410000071
所述电阻R14和电容C4组成RC滤波器电路，用于滤除信号中的噪声设定电阻R14和电容C4的阻容参数可设置成不同带宽的低通滤波器。具体的电路连接包括：所述电阻R14与电容C4串联在所述运放芯片U5的输出端与地线GND2之间。
所述R15、R16与运放芯片U6组成反向器电路，用于对反向加法器电路输出的反向电压信号再次反向，得到与模拟信号Vi同向、隔离且传输比可调的模拟信号Vo。具体的电路连接包括：所述运放芯片U6的反相输入端通过电阻R15与电阻R14与电容C4的连接端连接，所述运放芯片U6的同相输入端与输出端之间连接电阻R16；所述运放芯片U6的输出端输出隔离后的模拟信号Vo。
电路中还包括一些常用的电路连接，例如运放芯片U5、U6的同相输入端连接下拉电阻，芯片电源与地线之间连接滤波电容等，不影响本发明的保护范围，在此不再赘述。
本实施例的基于光耦的模拟信号隔离电路的整体电路连接图，如图6所示，该电路通过滤波-压缩-升压-隔离-放大-滤波，实现了包括负电压的交流模拟信号的隔离传输，电路的传输比例为：
Figure BDA0002247559410000081
通过设定电阻的阻值和参考电压的电压值可改变电路的传输比例。
具体的，将式中的R11＝R12，Vref1＝Vref2，R15＝R16，R13/R11＝(R3/R4+1)，R11＝R12，得到传输比例K＝1的模拟信号隔离电路。
图6中各器件的具体参数为：R1为510Ω，R2为100KΩ，R3为20KΩ，R4为5KΩ精度为1％，R5为4.99KΩ，R7为1KΩ，R8为220Ω精度为1％，R9为100KΩ精度为0.1％，R10为100KΩ精度为0.1％，R11、R12为100KΩ，R13为500KΩ，R14为510Ω，R15为100KΩ，R16为100KΩ，C1、C4为0.01μF；输入为±12V范围内的交流模拟信号Vi，传输比例为1，输出隔离后的±12V范围内的交流模拟信号Vo。
相比于现有技术，本实施例的基于光耦的模拟信号隔离电路实现了包括正、负电压的交、直流模拟信号的隔离传递，使得信号传递的线性度好、带宽较高，电路的传输比例可调；电路简单，组成器件均为常用器件，成本低，便于推广，经济价值高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光耦的模拟信号隔离电路，其特征在于，包括滤波与压缩电路、升压电路、隔离电路和放大与滤波电路；
所述滤波与压缩电路，用于将输入模拟信号Vi进行滤波后，按照设定的压缩比进行幅度压缩，输出幅度压缩后的模拟信号V1i；
所述升压电路，用于对所述幅度压缩后的模拟信号V1i进行升压，得到正电压信号V2i；
所述隔离电路，采用光耦进行信号隔离，用于按照设定的传输比，对输入的正电压信号V2i进行隔离传输，输出隔离后的正电压信号V3i；
所述放大与滤波电路，用于对隔离后的正电压信号V3i进行降压、放大和滤波后，输出隔离后的模拟信号Vo。
2.根据权利要求1所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述输入模拟信号Vi包括幅度在设定范围内的包含有负电压的交流信号。
3.根据权利要求1或2所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述设定的压缩比，用于匹配所述输入模拟信号Vi与隔离电路中光耦的工作线性区的幅度范围；使幅度压缩后的模拟信号V1i的幅度范围不大于光耦工作线性区的幅度范围。
4.根据权利要求3所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述滤波与压缩电路包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1和运放芯片U1；
所述电阻R1和电容C1串联后与电阻R2并联在模拟信号Vi的输入端与地线GND1之间；
电阻R1和电容C1连接端与运放芯片U1的同相输入端5脚连接，运放芯片U1的反向输入端6脚与输出端7脚连接；
运放芯片U1的输出端7脚与地线GND1之间串联电阻R3与R4；
电阻R3与R4的连接端输出幅度压缩后的模拟信号V1i；
所述设定的压缩比为R4：(R3+R4)。
5.根据权利要求3所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述升压电路包括运放AD620AR，所述运放AD620AR的2脚通过电阻R5接地，3脚接入幅度压缩后的模拟信号V1i，4脚接入电源Vss，5脚接入参考正电压Vref1，7脚接入电源Vcc，6脚输出正电压信号V2i；实现同向加法运算V2i＝V1i+Vref1。
6.根据权利要求3所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述隔离电路包括运放芯片U3、光耦芯片U4、电阻R7、R8、R9、R10；所述光耦芯片U4为HCNR201-300；
所述运放芯片U3的同相输入端通过电阻R7连接正电压信号V2i，反向输入端通过电阻R9连接地线GND1，运放芯片U3的输出端通过电阻R8连接光耦芯片U4的2脚；
光耦芯片U4的1脚连接地线GND1，3脚与所述运放芯片U3的供电电源Vcc1连接，4脚通过电阻R9连接地线GND1，6脚连接电源Vcc2,5脚通过电阻R10连接地线GND2；5脚与电阻R10的连接端输出隔离后的正电压信号V3i；
所述电源Vcc1、地线GND1与电源Vcc2和地线GND2隔离；
所述设定的传输比为R9：R10。
7.根据权利要求6所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述R9与R10的电阻值相等，电阻值误差控制在1％以内，电源Vcc1和Vcc2相等，使所述隔离电路的传输比为1:1。
8.根据权利要求3所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述放大与滤波电路包括运放芯片U5、U6、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、电容C4；
所述运放芯片U5的反相输入端通过电阻R11连接隔离后的正电压信号V3i，通过电阻R12连接参考电压Vref2，通过电阻R13连接运放芯片U5的输出端；
所述电阻R14与电容C4串联在所述运放芯片U5的输出端与地线GND2之间；
所述运放芯片U6的反相输入端通过电阻R15与电阻R14与电容C4的连接端连接，所述运放芯片U6的同相输入端与输出端之间连接电阻R16；
所述运放芯片U6的输出端输出隔离后的模拟信号Vo。
9.根据权利要求4-8所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，
所述电路的传输比例
Figure FDA0002247559400000031
10.根据权利要求9所述的模拟信号隔离电路，其特征在于，
通过设置R11＝R12，Vref1＝Vref2，R15＝R16，R13/R11＝(R3/R4+1)，R11＝R12，使所述电路的传输比例K＝1，得到等比例传输的模拟信号隔离电路。
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