CN113037276A - 一种调制输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调制输出电路，该方案中，调制输出电路包括跟随模块、隔离模块与放大模块，跟随模块用于提高电路的带负载能力，同时可起到缓冲作用，放大模块用于将跟随模块输出的信号进行放大，以便提高驱动后续负载的能力，隔离模块将调制输出电路的输入端与输出端进行隔离，使复杂环境(例如电磁干扰、低功率电源与高功率电源接错以及负载的突然变化等)对调制输出电路的输出端的干扰不会影响到调制输出电路的输入端，保护了调制输出电路的输入端的安全，进而使得调制输出电路的稳定性与安全性得到大大的提升。

Description

一种调制输出电路

技术领域

本发明涉及控制及电子电路领域，特别是涉及一种调制输出电路。

背景技术

目前模拟信号主要应用于工控行业中比较常见的一些控制方式，将物理量的值转换为电压或者电流信号，在许多工业控制场景中得到广泛的应用。在各种复杂的工业控制场合下通常采取使用模拟输出来对负载进行控制。

在这里就涉及到了模拟量的调制输出电路，请参照图1，图1为现有技术中调制输出系统的结构示意图。现有技术中，外界环境对调制输出电路的输出端的影响是无法忽视的，例如，电磁干扰，低功率电源与高功率电源接错，负载的突然变化等，都可能会使调制输出电路的输出端的电流/电压波动较大，而调制输出电路的输出端会对调制输出电路的输入端产生影响，由于调制输出电路的输入端一般直接与控制芯片相连，而控制芯片抗干扰能力较弱，较大的电流会使与调制输出电路的输入端连接的控制芯片不能正常工作，甚至烧毁，导致调制输出电路的安全性及稳定性降低，甚至可能会对工业生产造成难以想象的严重后果和巨大的经济损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种调制输出电路，能够将调制输出电路的输入端与输出端进行隔离，使复杂环境(例如电磁干扰、低功率电源与高功率电源接错以及负载的突然变化等)对调制输出电路的输出端的干扰不会影响到调制输出电路的输入端，保护了调制输出电路的输入端的安全，进而使得调制输出电路的稳定性与安全性得到大大的提升。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种调制输出电路，包括：

输入端与控制芯片的输出端连接、输出端与隔离模块的输入端连接的跟随模块；

输出端与放大模块的输入端连接的所述隔离模块，用于隔离所述调制输出电路的输入端与输出端；

输出端与负载的输入端连接的所述放大模块，用于将所述隔离模块输出的信号进行放大。

优选地，所述跟随模块包括：

第一端作为所述调制输出电路的输入端、第二端与第一运算放大器的输入负端连接的第一电阻；

输入正端接地、输出端分别与自身的输入负端以及所述隔离模块的输入端连接的所述第一运算放大器。

优选地，所述跟随模块还包括：

第一端与所述第一电阻的第一端连接、第二端接地的第一滤波模块。

优选地，所述放大模块包括：

输入负端与所述隔离模块的输出端连接、输入正端接地、输出端作为所述调制输出电路的输出端的第二运算放大器，用于将所述隔离模块输出的电压进行放大；

第一端与所述第二运算放大器的输入负端连接、第二端与所述第二运算放大器的输出端连接的第二电阻。

优选地，所述放大模块还包括：

并联在所述第二电阻两端的第二滤波模块。

优选地，所述隔离模块为隔离运算放大器。

优选地，还包括：

第一端与所述放大模块的输出端连接、第二端与第四电阻的第一端以及第三运算放大器的输入负端连接的第三电阻；

第二端与所述第三运算放大器的输出端连接的所述第四电阻；

第一段接第二电源、第二端与第六电阻的第一端连接的第五电阻；

第一端与所述第三运算放大器的输入正端连接、第二端接地的所述第六电阻；

输出端作为所述调制输出电路的输出端的所述第三运算放大器。

优选地，还包括：

第一端与所述第三运算放大器的输出端连接、第二端接地的第三滤波模块。

优选地，所述隔离模块包括：

阳极与第一电源连接、阴极与所述跟随模块的输出端连接的发光二极管；

阳极接地、阴极作为所述隔离模块的输出端的第一光敏三极管，用于基于所述发光二极管的光照强度产生相应的电压。

优选地，所述隔离模块还包括：

阳极接地、阴极与所述第一电阻的第二端连接的第二光敏三极管，用于基于所述发光二极管的光照强度产生相应的电流，以便对流过所述发光二极管的电流进行补偿；

其中，所述第一光敏三极管与所述第二光敏三极管的阳极不共地。

本发明提供了一种调制输出电路，该方案中，调制输出电路包括跟随模块、隔离模块与放大模块，跟随模块用于提高电路的带负载能力，同时可起到缓冲作用，放大模块用于将隔离后的信号进行放大，以便提高驱动后续负载的能力，隔离模块将调制输出电路的输入端与输出端进行隔离，使复杂环境(例如电磁干扰、低功率电源与高功率电源接错以及负载的突然变化等)对调制输出电路的输出端的干扰不会影响到调制输出电路的输入端，保护了调制输出电路的输入端的安全，进而使得调制输出电路的稳定性与安全性得到大大的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为现有技术中调制输出系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种调制输出电路的结构示意图；

图3为本发明提供的一种调制输出电路的电路图；

图4为本发明提供的另一种调制输出电路的电路图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种调制输出电路，能够将调制输出电路的输入端与输出端进行隔离，使复杂环境(例如电磁干扰、低功率电源与高功率电源接错以及负载的突然变化等情况下)对调制输出电路的输出端的干扰不会影响到调制输出电路的输入端，保护了调制输出电路的输入端的安全，进而使得调制输出电路的稳定性与安全性得到大大的提升。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图2，图2为本发明提供的一种调制输出电路的结构示意图。

该装置包括：

输入端与控制芯片的输出端连接、输出端与隔离模块2的输入端连接的跟随模块1；

输出端与放大模块3的输入端连接的隔离模块2，用于隔离调制输出电路的输入端与输出端；

输出端与负载的输入端连接的放大模块3，用于将隔离模块2输出的信号进行放大。

申请人考虑到，现有技术中，外界环境对调制输出电路的输出端的影响是无法忽视的，例如，电磁干扰，低功率电源与高功率电源接错，负载的突然变化等，都可能会使调制输出电路的输出端的电流/电压波动较大，而调制输出电路的输出端会对调制输出电路的输入端产生影响，由于调制输出电路的输入端一般直接与控制芯片相连，而控制芯片抗干扰能力较弱，较大的电流会使与调制输出电路的输入端连接的控制芯片不正常工作，甚至烧毁，导致调制输出电路的安全性及稳定性较低，甚至可能会对工业生产造成难以想象的严重后果和巨大的经济损失。

在本实施例中，调制输出电路包括跟随模块1、隔离模块2与放大模块3，跟随模块1用于提高电路的带负载能力，同时可起到缓冲作用，放大模块3将跟随模块1输出的信号进行放大，以便提高驱动后续负载的能力，隔离模块2将调制输出电路的输入端与输出端进行隔离。

需要说明的是，在跟随模块1与隔离模块2之间通常还设有限流电阻，能够避免跟随模块1输出端的电流过大，起到保护电路的作用。

当然，这里避免跟随模块1输出端电流过大的方式不仅限为在跟随模块1与隔离模块2之间设置限流电阻，本申请在此不做特别的限定。

综上，本方案提供的调制输出电路，能够使复杂环境(例如电磁干扰、低功率电源与高功率电源接错以及负载的突然变化等)对调制输出电路的输出端的干扰不会影响到调制输出电路的输入端，保护了调制输出电路的输入端的安全，进而使得调制输出电路的稳定性与安全性得到大大的提升。

请参照图3，图3为本发明提供的一种调制输出电路的电路图，其中，隔离模块2为隔离运算放大器。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，跟随模块1包括：

第一端作为调制输出电路的输入端、第二端与第一运算放大器的输入负端连接的第一电阻；

输入正端接地、输出端分别与自身的输入负端以及隔离模块2的输入端连接的第一运算放大器。

在本实施例中，提供了一种跟随模块1的具体实现方式。具体地，控制芯片输出的信号经过第一电阻进入第一运算放大器的输入负端，第一电阻与第一运算放大器实际上构成了一个简易的跟随器，能够提高电路的带负载能力，同时可起到缓冲作用。

当然，这里跟随模块1的电路结构不仅限为上述方式，对于跟随模块1的具体结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，跟随模块1还包括：

第一端与第一电阻的第一端连接、第二端接地的第一滤波模块。

在上述实施例的基础上，本实施例在第一电阻的第一端设置了第一滤波模块，将控制芯片输出的信号进行滤波，再使滤波后的信号经过第一电阻进入第一运算放大器的输入负端。

作为一种优选的实施例，放大模块3包括：

输入负端与隔离模块2的输出端连接、输入正端接地、输出端作为调制输出电路的输出端的第二运算放大器，用于将隔离模块2输出的电压进行放大；

第一端与第二运算放大器的输入负端连接、第二端与第二运算放大器的输出端连接的第二电阻。

在本实施例中，提供了一种放大模块3的具体实现方式，放大模块3包括第二电阻和第二运算放大器。能够将隔离后的信号进行放大，提高驱动后续负载的能力。

当然，这里放大模块3的电路结构不仅限为上述方式，对于放大模块3的具体结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，放大模块3还包括：

并联在第二电阻两端的第二滤波模块。

在上述实施例的基础上，本实施例设置了并联在第二电阻两端的第二滤波模块，将隔离模块2输出的信号进行滤波后进行放大。

作为一种优选的实施例，隔离模块2为隔离运算放大器。

这里的隔离模块2可以为隔离运算放大器，隔离运算放大器的输入端、输出端和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端，能够通过极其简单的器件实现较为理想的信号传输，同时将调制输出电路的输入端与输出端进行隔离。

当然，这里的隔离模块2不仅限为隔离运算放大器，对于隔离模块2的具体结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

第一端与放大模块3的输出端连接、第二端与第四电阻的第一端以及第三运算放大器的输入负端连接的第三电阻；

第二端与第三运算放大器的输出端连接的第四电阻；

第一段接第二电源、第二端与第六电阻的第一端连接的第五电阻；

第一端与第三运算放大器的输入正端连接、第二端接地的第六电阻；

输出端作为调制输出电路的输出端的第三运算放大器。

为了进一步提高电路的带负载能力，在本实施例中，在放大模块3的输出端设置了第三运算放大器以及其外围电路，能够将放大模块3的输出端信号进行再次放大，以提高电路的带负载能力。

当然，这里提高电路的带负载能力的方式不仅限为设置上述电路，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

第一端与第三运算放大器的输出端连接、第二端接地的第三滤波模块。

在上述实施例的基础上，本实施例还设置了第一滤波模块，将第三运算放大器的输出端输出的信号进行滤波。

作为一种优选的实施例，隔离模块2包括：

阳极与第一电源连接、阴极与跟随模块1的输出端连接的发光二极管；

阳极接地、阴极作为隔离模块2的输出端的第一光敏三极管，用于基于发光二极管的光照强度产生相应的电压。

在本实施例中，提供了另一种隔离模块2具体实现方式。这里的发光二极管与第一光敏三极管构成一个线性光耦，第一光敏三极管能够基于发光二极管的光照强度产生相应的电压。由于光耦具有隔离特性，线性光耦的设置，既保障了信号在传输过程中的线性不丢失，又使得调制输出电路具备了优良的隔离功能。

当然，这里的隔离模块2不仅限为线性光耦，对于隔离模块2的具体结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，隔离模块2还包括：

阳极接地、阴极与第一电阻的第二端连接的第二光敏三极管，用于基于发光二极管的光照强度产生相应的电流，以便对流过发光二极管的电流进行补偿；

其中，第一光敏三极管与第二光敏三极管的阳极不共地。

在上述实施例的基础上，隔离模块2还包括阳极接地、阴极与跟随模块1的输出端连接的第二光敏三极管，能够基于发光二极管的光照强度产生相应的电流，以便对流过发光二极管的电流进行补偿。

需要说明的是，这里第一光敏三极管与第二光敏三极管的阳极不共地。隔离模块2的原边的“地”(第一光敏三极管的阳极)与副边的“地”(第二光敏三极管的阳极)并不是同一个所以两边没有公共的地连接，这就隔绝了公共地在信号传输中的相互影响，起到了隔离作用。

请参照图4，图4为本发明提供的另一种调制输出电路的电路图。

图4的工作具体原理如下：

隔离模块2本质上为一个线性光耦。这里线性光耦的1、2引脚为隔离信号的输入端，3、4引脚用于反馈，5、6引脚作为输出。流过LED两端(即：引脚1、2两端)的电流记为I_F，流过PD1两端(即：引脚3、4两端)和PD2两端(即：引脚5、6两端)的电流分别记为I_PD1和I_PD2。整个电路输入端D_AC1的电压记为VD_AC1，输出端电压记为V_out，光耦的两个电流传递系数分别为K₁和K₂。

首先分析部分1，第一运算放大器的输入负端的电压设为V_a，输出端电压为V₁，由于线性光耦引脚3接第一运算放大器的输入负端，引脚4接第一运算放大器的输入正端(即共同接地)。根据理想运放虚断特性，流入第一运算放大器的输入负端和输出正端的电流为零，同时根据理想运放虚短特性，可认为流过电阻R₁的电流即为流过PD1的电流I_PD1，根据欧姆定律可得：

流过R₃两端的电流即为流过LED的电流I_F，同样根据欧姆定律可得

其中V_DD为线性光耦2脚的电压。

根据线性光耦的传输特性，LED端有PD1端之间电流的传递函数系数K₁为：

将式(1)和式(2)带入式(3)，可得

理想情况下，在运放不饱和情况下输入电压V_a和输出电压V₁之间存在以下关系

V₁＝V₀-GV_a (5)

其中V₀为在运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的增益。

将式(5)带入式(4)，进一步整理可得

整理式(6)可得：

整理式(2)，式(5)和式(7)可得：

一般情况下，理想运放G都趋于无穷大，因此式(8)可近似为：

进一步考虑到部分2，根据第二运算放大器的虚短与虚断原理，线性光耦引脚5、6端之间的关系，有

V₂＝I_PD2R₂ (10)

其中V₂为第二运算放大器的输出电压。

同样根据光耦的传输特性，LED端有PD2端之间电流的传递函数系数K₂为：

整理式(10)和式(11)，可得

最终整理式(9)和式(12)，可得

进一步为增强输出电压V_out调节的灵活性，增加部分3。根据第三运算放大器的原理，设置R₄＝R₇，R₅＝R₆，第二运算放大器输出电压与第三运算放大器输出电压之间的关系为：

整理式(13)和式(14)最终可得输出电压V_out和输入端电压V_DAC1之间的关系为

上式中光耦电流传递系数K₁和K₂均为常数值，可控制调节电阻R₁、R₂、R₄和R₅实现输入电压V_DAC1与输出电压V_out之间的线性调节关系。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种调制输出电路，其特征在于，包括：

输入端与控制芯片的输出端连接、输出端与隔离模块的输入端连接的跟随模块；

输出端与放大模块的输入端连接的所述隔离模块，用于隔离所述调制输出电路的输入端与输出端；

输出端与负载的输入端连接的所述放大模块，用于将所述隔离模块输出的信号进行放大。

2.如权利要求1所述的调制输出电路，其特征在于，所述跟随模块包括：

第一端作为所述调制输出电路的输入端、第二端与第一运算放大器的输入负端连接的第一电阻；

输入正端接地、输出端分别与自身的输入负端以及所述隔离模块的输入端连接的所述第一运算放大器连接。

3.如权利要求2所述的调制输出电路，其特征在于，所述跟随模块还包括：

第一端与所述第一电阻的第一端连接、第二端接地的第一滤波模块。

4.如权利要求1所述的调制输出电路，其特征在于，所述放大模块包括：

输入负端与所述隔离模块的输出端连接、输入正端接地、输出端作为所述调制输出电路的输出端的第二运算放大器，用于将所述隔离模块输出的电压进行放大；

第一端与所述第二运算放大器的输入负端连接、第二端与所述第二运算放大器的输出端连接的第二电阻。

5.如权利要求4所述的调制输出电路，其特征在于，所述放大模块还包括：

并联在所述第二电阻两端的第二滤波模块。

6.如权利要求1所述的调制输出电路，其特征在于，所述隔离模块为隔离运算放大器。

7.如权利要求1至6任一项所述的调制输出电路，其特征在于，还包括：

第一端与所述放大模块的输出端连接、第二端与第四电阻的第一端以及第三运算放大器的输入负端连接的第三电阻；

第二端与所述第三运算放大器的输出端连接的所述第四电阻；

第一端接第二电源、第二端与第六电阻的第一端连接的第五电阻；

第一端与所述第三运算放大器的输入正端连接、第二端接地的所述第六电阻；

输出端作为所述调制输出电路的输出端的所述第三运算放大器。

8.如权利要求7所述的调制输出电路，其特征在于，还包括：

第一端与所述第三运算放大器的输出端连接、第二端接地的第三滤波模块。

9.如权利要求2所述的调制输出电路，其特征在于，所述隔离模块包括：

阳极与第一电源连接、阴极与所述跟随模块的输出端连接的发光二极管；

阳极接地、阴极作为所述隔离模块的输出端的第一光敏三极管，用于基于所述发光二极管的光照强度产生相应的电压。

10.如权利要求9所述的调制输出电路，其特征在于，所述隔离模块还包括：

阳极接地、阴极与所述第一电阻的第二端连接的第二光敏三极管，用于基于所述发光二极管的光照强度产生相应的电流，以便对流过所述发光二极管的电流进行补偿；

其中，所述第一光敏三极管与所述第二光敏三极管的阳极不共地。

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