CN201830210U - 模拟信号线性隔离放大装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟信号线性隔离放大装置，采用同相放大器连接一光电耦合器，光电耦合器连接电压跟随器，该光电耦合器的发光二极管串联另一光电耦合器的发光二极管后，反馈至同相放大器的运算放大器；同相放大器由若干个电阻、电容与运算放大器连接构成；电压跟随器由一可调电位器和一运算放大器组成，两光电耦合器集成在同一芯片内，电压跟随器的输入电压是可调的，同相放大器的反馈是差分负反馈的方案，克服了现有技术的各器件之间相互独立造成线性误差比较大的缺陷。适用于矿井提升机及类似产品的状态采集和模拟信号传输。

Description

模拟信号线性隔离放大装置

技术领域

本实用新型涉及一种模拟信号线性隔离放大装置。

背景技术

在矿井提升机状态采集、传输系统中，不少情况下，传感器采集的数据传输距离比较远；而设备运行环境一般都比较恶劣，电机、整流装置等用电设备产生强烈的电磁干扰，高频电源线的工频干扰，测量系统和各单元电路之间的公共接地阻抗也会产生严重的干扰，以上这些干扰源都会对状态监测系统产生很大的干扰，导致系统难以正常工作；为解决这些问题，通常采取许多复杂的抗干扰措施，使得系统结构复杂，成本很高，而且效果不佳。因此，如何使传感器信号能够准确可靠地进行远距离传输，确实是一个极其重要而又实际的问题。采用模拟信号进行长线传送，不管是双极性电压信号、电流信号，还是压频转换后的频率信号，都容易受到外界电磁波的干扰；而且由于传输线路比较长，不可避免的要有线路上的损失，这样就难以保证传送精度。

因此数据的采集与传输系统中，数据的有效采集与正确传输是保证数据后处理与分析的重要保障，而基于光电隔离的信号传输是目前采用最多的方法。常用隔离措施是采用光电隔离器件对信号进行不共地传输。由于光隔离器件存在非线性，对数字信号的传递不存在问题，但是在对模拟信号传输时就存在非线性失真的问题，因为模拟信号的传递要求即要地线隔离又要求保证严格的线性。在实际应用中常先将模拟信号经ADC转换成数字信号，再采用光电藕合器进行数字量隔离。但这样存在两个问题：首先经过ADC转换后需对每位数据线进行隔离，无疑需用多个光电耦合器。

曾有学者采用压/频变换器和频/压变换器配合实现光电隔离方法。此法的缺点是变换速度慢，小信号时误差大等缺点。有学者采用了双极性电源运算放大器，实现了0～5伏的线性隔离，它需有双极性供电，因此对电源要求较高。还有学者利用差动放大原理、深度负反馈技术和可控恒流源电路设计的线性隔离放大电路，电路复杂，元件数量多，且同样要采用双极性电源，不便在单电源场合实用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高精度的模拟线性隔离放大电路，选用12V、1W小型封装隔离直流电源模块，为隔离电路提供四路12V隔离直流电源，实现了多通道、高线性的模拟信号线性隔离放大装置。

为实现上述目的，本实用新型包括同相放大器连接一光电耦合器，光电耦合器连接电压跟随器，该光电耦合器的发光二极管串联另一光电耦合器的发光二极管后，连接至同相放大器的运算放大器。

所述两光电耦合器集成在同一芯片内。 

所述同相放大器包括电阻R1-R4、电容C和运算放大器；在输入电路中设置电阻R1连接运算放大器的正极，电阻R2一端接运算放大器输入端一端接地，电阻R3连接运算放大器的负极且接地，电阻R4设置在运算放大器的输出端，电容C的两端分别连接运算放大器的负极和输出端。

所述电压跟随器由一可调电位器和一运算放大器组成，可调电位器一端连接该运算放大器的正极，另一端接地；该运算放大器的负极连接输出端。

本实用新型采用同相放大器连接一光电耦合器，光电耦合器连接电压跟随器，该光电耦合器的发光二极管串联另一光电耦合器的发光二极管后，连接至同相放大器的运算放大器。同相放大器由若干个电阻、电容与运算放大器连接构成；电压跟随器由一可调电位器和一运算放大器组成，电压跟随器的输入电压是可调的，同相放大器的反馈是差分负反馈的方案，克服了现有技术的各器件之间相互独立造成线性误差比较大的缺陷。

本实用新型相比现有技术所产生的有益效果：

1、采用的多通道模拟信号线性传输，解决了传输通道少，多路模拟信号需要多个线性隔离装置以及外接电源，造成安装的不便，成本过高的问题。

2、实现了多通道、高线性，在复杂噪声环境下模拟信号的线性隔离传输。

3、结构简单合理，制造方便，制造成本低。

本实用新型适用于矿井提升机及类似产品的状态采集和模拟信号传输。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

附图说明

图1为本实用新型的结构方框图。

图2为本实用新型的电路图。

图中：1、同相放大器，2、光电耦合器，3、电压跟随器，4、可调电位器，5、运算放大器。

具体实施方式

如附图图1、图2所示，一种模拟信号线性隔离放大装置，包括同相放大器1连接一光电耦合器2，该光电耦合器2连接电压跟随器3，该光电耦合器2的发光二极管串联另一光电耦合器2的发光二极管后，连接至同相放大器1的运算放大器5。 两光电耦合器2集成在同一芯片内。同相放大器1包括电阻R1-R4、电容C和运算放大器5；在输入电路中设置电阻R1连接运算放大器5的正极，电阻R2一端接运算放大器输入端一端接地，电阻R3连接运算放大器5的负极且接地，电阻R4设置在运算放大器5的输出端，电容C的两端分别连接运算放大器5的负极和输出端。电压跟随器3由一可调电位器4和一运算放大器5组成，可调电位器4一端连接该运算放大器5的正极，另一端接地；该运算放大器5的负极连接输出端。

本实用新型利用TLP521-2型号的光电耦合器2中的两个发光二极管串联，使流过两个发光二极管的电流一样，形成差分负反馈，补偿光电耦合器2的非线性电流传输系数。虽然光电耦合器2是非线性的，但两光电耦合器2集成在一个芯片内，可保证其特性一致，非线性程度相同，故产生的误差相互抵消。当输入模拟信号电压Ui加在运算放大器5的同相输入端，输出信号电压U1的极性与Ui相同，经过光电耦合器2反馈回的电压U2送入运算放大器5的反向输入端，此时净输入电压明显减小了，使得运算放大器5的输出电压减小，增益随之也减小。从而可以看出同相放大器引入的负反馈U2,通过光电耦合器2的反馈，对放大电路起到自动调整的作用，从而牵制了U1的变化，使得U1经光电耦合器2牵制了电压跟随器3的输入电压U3的变化，最后达到输出电压Uo稳定平衡。

设图1中两个光耦的电流传输系数分别为g1、g2，流过两个光电耦合器2的发光二极管的电流为I，两个运算放大器5为理想运算放大器，利用其虚短、虚断、输入阻抗无穷大的概念，导出I、I1和I2的关系：

；；

导出Ui和Uo的下列表达式：

                       

  （1）

                      

  （2）

当设计要求为输出、输入电压相等，即：U0/Ui=1（可根据需要改变比值），得

，即：

                              （3）

                        

      （4）

C为常数，因为两个光电耦合器2集成在一个芯片上，特性基本一致，使它们的电流传输系数之比为常数,(通常接近1)，即：g1/g2=C，通过调整R5，使R5/R3=C，则（1）式和（2）式相等，U0=Ui就成立了。实际测试结果表明，在电路调整完后R5、R3均固定了，但二者之比为常数C，满足（4）式，只要（4）式成立，就能得出U0=Ui的结论, 实现了输出电压Uo的稳定平衡。

Claims (4)

1.一种模拟信号线性隔离放大装置，其特征在于它包括同相放大器（1）连接一光电耦合器（2），该光电耦合器（2）连接电压跟随器（3），该光电耦合器（2）的发光二极管串联另一光电耦合器（2）的发光二极管后，连接至同相放大器（1）的运算放大器（5）。

2.根据权利要求1所述的一种模拟信号线性隔离放大装置，其特征在于所述两光电耦合器（2）集成在同一芯片内。

3.根据权利要求1所述的一种模拟信号线性隔离放大装置，其特征在于所述同相放大器（1）包括电阻R1-R4、电容C和运算放大器（5）；在输入电路中设置电阻R1连接运算放大器（5）的正极，电阻R2一端接运算放大器输入端一端接地，电阻R3连接运算放大器（5）的负极且接地，电阻R4设置在运算放大器（5）的输出端，电容C的两端分别连接运算放大器（5）的负极和输出端。

4.根据权利要求1所述的一种模拟信号线性隔离放大装置，其特征在于所述电压跟随器（3）由一可调电位器（4）和一运算放大器（5）组成，可调电位器（4）一端连接该运算放大器（5）的正极，另一端接地；该运算放大器（5）的负极连接输出端。

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