CN210041794U - 一种信号隔离器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种信号隔离器，包括分压电路、光隔离放大器、第一电压放大电路、第二电压放大电路、第一电压调整电路、第二电压调整电路、第一V/I转换电路、第一开关、第二开关；分压电路的输入端与隔离器信号输入接口端连接，分压电路的输出端与光隔离放大器的输入端连接；光隔离放大器的输出端与第一开关的一个连接端连接，第一开关的另一个连接端可切换地与第一电压放大电路的输入端、第二电压放大电路的输入端连接，第一电压放大电路的输出端与第二开关的一个连接端连接。本实用新型电源采用磁隔离，信号传输隔离采用光隔离，保证信号输入输出之间响应速度和线性度，抗干扰能力强，适应性好。

Description

一种信号隔离器

技术领域

本实用新型涉及一种信号隔离器，具体涉及4-20mA以及0-5V信号隔离采集以及4-20mA 和0-5V信号隔离传送的一种三端信号隔离器，属于工业自动化信号隔离传输领域。

背景技术

工业自动化领域需要测量各类模拟量，例如水压、水流量、湿度、磁场强度和温度等非电模拟量，但在信号采集和传输过程中，为了保证控制系统能够安全性、可靠性和稳定性地工作，通常使用隔离器将控制系统的地和测量系统的地隔离起来。工业自动化领域最广泛采用的是用4-20mA或0-5V信号来传输模拟量，而大部分隔离器只能满足单一信号形式输入和单一信号形式输出，不能满足一种隔离具有多种信号形式输入和多种信号形式输出的功能需求，同时也不能满足同一模拟量可能要传输给两个不同信号形式的控制系统采集的需要。

传统三端隔离器的输入信号和输出信号是采用线性互感器的磁隔离方式传输信号，线性互感器容易受温度、磁场强度而导致互感器磁芯磁导率非线性变化。

目前市场知名品牌的隔离器普通价钱偏高，而且功能比较单一，即增加了工业自动化领域相关企业的生产成本，又不能满足客户对产品功能多样性的需要；同时单一功能隔离器的体积普遍偏大且已经封装为一个独立产品，不便于系统集成设计。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是针对现有隔离器的不足，提供一种可以接收工业自动化领域内标准的两种信号形式4-20mA和0-5V输入和可以根据控制系统实际的需要选择相应的 4-20mA和0-5V标准信号输出的信号隔离器。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种信号隔离器，包括分压电路、光隔离放大器、第一电压放大电路、第二电压放大电路、第一电压调整电路、第二电压调整电路、第一V/I转换电路、第一开关、第二开关；所述分压电路的输入端与隔离器信号输入接口端连接，所述分压电路的输出端与光隔离放大器的输入端连接；所述光隔离放大器的输出端与第一开关的一个连接端连接，所述第一开关的另一个连接端可切换地与第一电压放大电路的输入端、第二电压放大电路的输入端连接，所述第一电压放大电路的输出端与第二开关的一个连接端连接，所述第二开关具有第一状态、第二状态、第三状态；

当第二开关处于第一状态时，所述第二开关的另一个连接端连接有V/V转换输出接口端VOUT_A；

当第二开关处于第二状态时，所述第二开关的另一个连接端与第一电压调整电路的输入端连接，且所述第一电压调整电路的输出端与第一V/I转换电路的输入端连接，且第一V/I 转换电路的输出端连接有V/I转换输出接口端IOUT_A；

当第二开关处于第三状态时，所述第二开关的另一个连接端与第一V/I转换电路的输入端连接且所述第一V/I转换电路的输出端连接有I/I转换输出接口端IOUT_B，或所述第二开关的另一个连接端连接有第二V/I转换电路的输入端且所述第二V/I转换电路的输出端连接有I/I转换输出接口端IOUT_B，所述第二V/I转换电路与第一V/I转换电路的电路结构相同；

所述V/I转换输出接口端IOUT_A与I/I转换输出接口端IOUT_B为同一接口端或不同接口端；

所述第二电压放大电路的输出端与第二电压调整电路的输入端连接，所述第二电压调整电路的输出端连接有I/V转换输出接口端VOUT_B。

本实用新型中的信号隔离器的隔离器信号输入端可以接收4-20mA或0-5V信号，可根据需要实现4-20mA或0-5V信号转换为4-20mA或0-5V信号的需求。本实用新型中利用光隔离放大器，信号传输隔离采用光隔离的形式，保证信号输入和信号输出的之间响应速度和线性度，抗外界干扰能力强，适应性好。

进一步地，所述信号隔离器还包括：

第一DC-DC开关稳压电源，用于将外部电源转换为数字+5V；

第二DC-DC开关稳压电源，用于将外部电源转换为模拟+15VA、模拟-15VA；

线性稳压电源，用于将模拟+15VA转换为模拟+5VA；

所述光隔离放大器具有输入侧供电电源端、输出侧供电电源端，所述输入侧供电电源端、输出侧供电电源端分别与第一DC-DC开关稳压电源的输出端、线性稳压电源的输出端连接。

本实用新型中，由于不同的供电电源之间采用磁隔离的形式，避免各个供电电源相互影响。而且，光隔离放大器的输入侧供电电源端、输出侧供电电源端采用相互隔离的供电电源供电，也可以避免对信号传输造成影响。

进一步地，所述第一DC-DC开关稳压电源、第二DC-DC开关稳压电源、线性稳压电源的型号分别为WRF2405、URE2415P、MC78M05，所述外部电源为24V直流电源。

通过以上设置，本实用新型的信号隔离器只需要一路24VDC电源供电。

进一步地，所述分压电路包括电阻R301、电阻R302，所述光隔离放大器的输入端、电阻R301的一端、电阻R302的一端相互连接，电阻R301的另一端与隔离器信号输入端连接，电阻R302的另一端接地。

进一步地，所述电阻R301与电阻R302的阻值之比为3:2，所述光隔离放大器的电压增益为1，所述第一电压放大电路的电压放大倍数为2.5，所述第一电压调整电路的输出电压 UOUT₄₁与输入电压UIN₄₁的关系为

进一步地，所述电阻R301与电阻R302的阻值分别为150欧姆、100欧姆，所述光隔离放大器的电压增益为1，所述第二电压放大电路的放大倍数为

所述第二电压调整电路的输出电压UOUT₄₂与输入电压UIN₄₂的关系为

进一步地，所述信号隔离器还包括第三开关，所述第三开关的一个连接端与第一V/I转换电路连接；所述第三开关具有第一状态、第二状态；

当第二开关处于第二状态时，所述第三开关处于第一状态，所述第二开关的另一个连接端与第一电压调整电路的输入端连接，且所述第一电压调整电路的输出端与第三开关的另一个连接端连接，且第一V/I转换电路的输出端连接有V/I转换输出接口端IOUT_A；

当第二开关处于第三状态时，所述第三开关处于第二状态，所述第二开关的另一个连接端与第三开关的另一个连接端连接。

进一步地，所述第一V/I转换电路为压控恒流源。

本实用新型中，采用压控恒流源实现电压信号到电流信号的转换，结构简单且便于实现。

进一步地，所述压控恒流源包括第一压控恒流源子电路、第二压控恒流源子电路，所述第一压控恒流源子电路的输出端与第二压控恒流源子电路的输入端连接，所述第二压控恒流源的输出端与模拟地之间连接有采样电阻R319，所述第二压控恒流源的输出端为所述第一 V/I转换电路的输出端。

进一步地，所述第一压控恒流源电路包括运算放大器U303、NMOS管Q301、电容C306、电阻R314、电阻R315、电阻R316；所述运算放大器U303的同相输入端为所述压控恒流源的输入端；电容C306的一端、运算放大器U303的反相输入端、NMOS管Q301的源级、电阻R315的一端相互连接，电容C306的另一端与运算放大器U303的输出端连接；电阻R314 的一端与运算放大器U303的输出端连接，电阻R314的另一端与NMOS管Q301的栅极连接；电阻R316的一端与NMOS管Q301的漏级连接，电阻R316的另一端与模拟+15V连接；电阻R315的另一端接地；

所述第二压控恒流源电路包括运算放大器U304、PMOS管Q302、电容C307、电阻R317、电阻R318、电阻R319；所述电阻R316的所述一端与运算放大器U304的同相输入端相互连接；运算放大器U304的反相输入端、电容C307的一端、电阻R317的一端、PMOS管Q302 的源级相互连接；R317的另一端与模拟+15V连接；电阻R318的一端、电容C307的另一端、运算放大器U304的输出端相互连接；电阻R318的另一端与PMOS管Q302的栅极连接；PMOS 管Q302的漏级、V/I转换输出接口端、电阻R319的一端连接；电阻R319的另一端接地；各个运算放大器的正电源端、负电源端分别与模拟+15V、模拟-15V连接；所述电阻R315的阻值与电阻R316的阻值相等；所述电阻R317的阻值为250欧姆，所述采样电阻R319的阻值不大于500欧姆。

本实用新型中，由于采用相互串联的第一压控恒流源电路、第二压控恒流源电路，对被驱动电路的适应性好，可以保证4-20mA标准恒流信号输出时最大可以驱动500Ω采样电阻。

进一步地，所述光隔离放大器的型号为ACPL-C87。

本实用新型具有的优点和积极效果是：为了保证0-5V标准信号输出的驱动功率，本实用新型的0-5V标准信号输出全部采用具有40mA驱动能力的运算放大器驱动；为了保证4-20mA 信号输出时带负载的驱动能力，所有运算放大器和场效应晶体管全部由具有6W功率输出的模拟±15V磁隔离DCDC开关电源驱动，可以保证4-20mA标准恒流信号输出时最大可以驱动 500Ω采样电阻；

本实用新型所述的多功能信号隔离器可实现供电电源端、输入信号端和输出信号端之间三端隔离，充分利用高精度线性光耦和磁隔离的DCDC开关电源隔离耐压高的特性，可以实现三端隔离耐压为3000VDC；而且该多功能信号隔离器具有4种标准信号的隔离转换方式，几乎可以满足工业自动化领域所有标准信号的隔离采集和隔离线性转换传输的需要。本实用新型的隔离器既能够方便集成于大型控制系统中，又能够制作成单一的多功能信号隔离器产品。

本实用新型中，仅在供电电源、输入电源和输出电源三端之间的隔离采用磁隔离的形式，保证精密光耦前后端的供电电源稳定性和对隔离器输出高功率的要求；而信号传输隔离采用光隔离的形式，保证信号输入和信号输出的之间响应速度和线性度，抗外界干扰能力强，适应性好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的一种实施方式的信号隔离器的整体电路框图。

图2是图1中0-5V信号转0-5V信号的电路原理图。

图3是图1中0-5V信号转4-20mA信号的电路原理图。

图4是图1中4-20mA信号转4-20mA信号的电路原理图。

图5是图1中4-20mA信号转0-5V信号的电路原理图。

图6(a)、6(b)、6(c)是本实用新型实施例的信号隔离器的供电电源部分的电路原理图。

图7是本实用新型的另一种实施方式的信号隔离器的供电电源部分的电路原理图。

图8是图7中4-20mA信号转4-20mA信号的电路原理图。

上述附图中，1、分压电路，2、光隔离放大器，31、第一电压放大电路，32、第二电压放大电路，41、第一电压调整电路，42、第二电压调整电路，51、第一V/I转换电路，52、第二V/I转换电路，61、第一DC-DC开关稳压电源，62、第二DC-DC开关稳压电源，63、线性稳压电源，71、第一开关，72、第二开关，AGND为模拟地，I-in/V-in为隔离器信号输入端，VOUT_A、IOUT_A、IOUT_B、VOUT_B分别V/V转换输出接口端、V/I转换输出接口端、I/I转换输出接口端、I/V转换输出接口端。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例1

本实用新型公开了一种利用高精度线性光耦来实现对输入信号与输出信号进行隔离传输的线性多功能隔离器。该多功能信号隔离器具有四种标准信号隔离线性转换方式：分别为

(1)输入为0-5V电压信号转0-5V电压信号输出；

(2)输入为0-5V电压信号转4-20mA电流信号输出；

(3)输入为4-20mA电流信号转0-5V电压信号输出；

(4)输入为4-20mA电流信号转4-20mA电流信号输出。

本实用新型的信号隔离器主要由输入和输出两部分电路组成，输入与输出之间由高精度线性光耦连接，而且输入信号和输出信号之间分别由各自独立的磁隔离的DCDC开关电源供电，本实用新型所述的多功能信号隔离器只需要一路24VDC电源供电，多功能信号隔离器即可正常工作而且能够实现24VDC供电电源端、输入信号端和输出信号端之间三端隔离，充分利用高精度线性光耦和磁隔离的DCDC开关电源隔离耐压高的特性，可以实现三端隔离耐压为3000VDC；而且该多功能信号隔离器具有4种标准信号的隔离转换方式，几乎可以满足工业自动化领域所有标准信号的隔离采集和隔离线性转换传输的需要。其电路结构通俗易懂，即能够方便集成于大型控制系统中，又能够制作成单一的多功能信号隔离器产品。本实用新型中，线性光耦即为光隔离放大器。

本实用新型的信号隔离器，主要分为三部分即供电电源部分、输入信号端部分和输出信号端部分。而且输入信号与输出信号之间通过高精度线性光耦隔离耦合，供电电源、输入电源和输出电源之间通过隔离式DCDC开关电源供电，避免了供电电源、输入端和输出端三端之间相互干扰和串扰。输入端部分不需要区分信号种类，不管是先将4-20mA信号转换为电压信号再经过电阻分压，还是直接将0-5V电压信号直接电阻分压，都是将电阻R302两端电压差送入高精度线性光耦U301的输入端。高精度线性光耦前后端都采用独立磁隔离的DCDC 开关电源给其供电。高精度线性光耦、磁隔离的DCDC开关电源都在隔离耐压3000VDC以上。0-5V标准信号输出全部采用具有40mA驱动能力的运算放大器驱动；所有运算放大器和场效应晶体管全部由具有6W功率输出的模拟±15VA磁隔离DCDC开关电源驱动。采用0.5％高精度的线性光耦，±25PPM/℃的精密电阻，0.5％的精密稳压芯片，漏电流不超过10nA的场效应晶体管以及失调电压不超过700μV的运算放大器。

本实用新型的设计中全部采用0.5％高精度的线性光耦，±25PPM/℃的精密电阻，0.5％的精密稳压芯片，漏电流不超过10nA的场效应晶体管以及失调电压不超过700μV的运算放大器，足以保证输入/输出全范围的线性度控制在0.5％以内。同时高精度线性光耦、磁隔离的 DCDC开关电源都在隔离耐压3000VDC以上，可以保证多功能信号隔离器的三端隔离电压强度在3000VDC以上，可以保证系统和人身的安全。

本实用新型的信号隔离器的输入部分主要由取样电阻和分压电阻、取样滤波电容、磁隔离的DCDC开关电源和高精度线性光耦等元器件组成，它充分利用高精度线性光耦本身的高耐压、速度响应快的特性。多功能隔离器正常工作时，在输入端输入4-20mA或者0-5V信号时，在电阻R302上产生相应的0.4-2V或0-2V的电压差，将相应的电压差送入高精度线性光耦的输入端。

本实用新型的信号隔离器的输出部分主要由高精度线性光耦、滤波电容、磁隔离的DCDC 开关电源、运算放大器、精准稳压芯片以及场效应晶体管组成。依据每一种标准信号形式输入，都能输出2种标准信号形式输出，因此输出部分主要分为四部分电路，主要包含有0-5V 转0-5V转换电路、0-5V转4-20mA转换电路、4-20mA转0-5V转换电路、4-20mA转4-20mA 转换电路，这样可以满足同一模拟量信号可以被一个需要4-20mA信号输入的控制系统和一个需要0-5V信号输入的控制系统同时采集。

如图1所示，本实用新型提供一种信号隔离器，包括分压电路1、光隔离放大器2、第一电压放大电路31、第二电压放大电路32、第一电压调整电路41、第二电压调整电路42、第一V/I转换电路51、第一开关71、第二开关72；所述分压电路1的输入端与隔离器信号输入接口端I-in/V-in连接，所述分压电路1的输出端与光隔离放大器2的输入端连接；所述光隔离放大器2的输出端与第一开关71的一个连接端连接，所述第一开关71的另一个连接端可切换地与第一电压放大电路31的输入端、第二电压放大电路32的输入端连接，所述第一电压放大电路31的输出端与第二开关72的一个连接端连接，所述第二开关72具有第一状态、第二状态、第三状态。

当第二开关72处于第一状态时，所述第二开关72的另一个连接端连接有V/V转换输出接口端VOUT_A。

当第二开关72处于第二状态时，所述第二开关72的另一个连接端与第一电压调整电路41的输入端连接，且所述第一电压调整电路41的输出端与第一V/I转换电路51的输入端连接，且第一V/I转换电路51的输出端连接有V/I转换输出接口端IOUT_A。

当第二开关72处于第三状态时，所述第二开关72的另一个连接端与第一V/I转换电路 51的输入端连接且所述第一V/I转换电路51的输出端连接有I/I转换输出接口端IOUT_B。

通过第三开关73实现第一电压调整电路41的输出端、第一放大电路31的输出端与第一 V/I转换电路51的输入端之间连接的切换。

所述第三开关73的一个连接端与第一V/I转换电路51连接；所述第三开关73具有第一状态、第二状态。

当第二开关72处于第二状态时，所述第三开关73处于第一状态，所述第二开关72的另一个连接端与第一电压调整电路41的输入端连接，且所述第一电压调整电路41的输出端与第三开关73的另一个连接端连接，且第一V/I转换电路51的输出端连接有V/I转换输出接口端IOUT_A；

当第二开关72处于第三状态时，所述第三开关73处于第二状态，所述第二开关72的另一个连接端与第三开关73的另一个连接端连接。

若V/I转换输出接口端IOUT_A与I/I转换输出接口端IOUT_B为同一接口端或不同接口端，则无需设置第四开关74。若V/I转换输出接口端IOUT_A与I/I转换输出接口端IOUT_B 为或不同接口端，则通过第四开关74实现V/I转换输出接口端IOUT_A、I/I转换输出接口端 IOUT_B与第一V/I转换电路51的输出端之间连接的切换。

所述第二电压放大电路32的输出端与第二电压调整电路42的输入端连接，所述第二电压调整电路42的输出端连接有I/V转换输出接口端VOUT_B。

分压电路1包括电阻R301、电阻R302，所述光隔离放大器2的输入端、电阻R301的一端、电阻R302的一端相互连接，电阻R301的另一端与隔离器信号输入端连接，电阻R302 的另一端接地。

优选地，电阻R301与电阻R302的阻值之比为3:2，所述光隔离放大器2的电压增益为1，所述第一电压放大电路31的电压放大倍数为2.5，所述第一电压调整电路41的输出电压 UOUT₄₁与输入电压UIN₄₁的关系为

优选地，电阻R301与电阻R302的阻值分别为150欧姆、100欧姆，所述光隔离放大器2的电压增益为1，所述第二电压放大电路32的放大倍数为所述第二电压调整电路41的输出电压UOUT₄₂与输入电压UIN₄₂的关系为

优选地，第一V/I转换电路51为压控恒流源。

本实用新型中，当输入为电流信号时，隔离器信号输入接口端I-in/V-in与电流输入连接；当输入为电压信号时，隔离器信号输入接口端I-in/V-in、数字地分别与电压输入的两端连接。

如图2所示为0-5V标准信号输入转0-5V标准信号输出的电路原理图。

光隔离放大器2的增益优选为1。优选地，所述光隔离放大器的型号为ACPL-C87。ACPL-C87是专为电压检测而设计的光隔离放大器，在光隔离屏障的另一侧产生与输入电压成比例的差分输出电压。光隔离放大器2的输入端(VIN引脚)、电阻R301的一端、电阻R302的一端相互连接，电阻R301的另一端与输入信号端连接，电阻R302的另一端接地。电阻R302并联有输入滤波电容C301。

在本实施例中，第一电压放大电路31的放大倍数为2.5倍。优选地，第一电压放大电路 31包括运算放大器U302、电阻R305、电阻R306、电阻R307、电阻R308。更优选地，R305、R306、R307、R308分别为10k欧姆、4K欧姆、4K欧姆、10k欧姆的电阻，且各个电阻的精度均为±0.05％。

电阻R305的一端、电阻R306的一端、运算放大器U302的同相输入端相互连接，电阻R305的另一端接地。电阻R305并联有电容C304。

电阻R307的一端、电阻R308的一端、运算放大器U302的反相输入端相互连接，电阻R308的另一端、运算放大器U302的输出端连接、V/V转换输出接口端相互连接。

当光隔离放大器2的输出端与第一电压放大电路31连接时，电阻R306的另一端与光隔离放大器2的正输出端(VOUT+引脚)连接，电阻R307的另一端与光隔离放大器2的负输出端(VOUT-引脚)连接，光隔离放大器2的正输出端VOUT+、负输出端VOUT-之间连接有电容C305。

运算放大器U302的同相输入端、反相输入端之间连接有D301。

在一种优选实施方式中，电阻R305、电阻R306、电阻R307、电阻R308满足如下关系：

图2中，输入部分通过电阻R301和R302分压原理，在输入端I-in/V-in和GND1之间输入0-5V时，电阻R302上的电压变化范围为0-2V，和电阻并联的电容C301为输入滤波电容，这样输入到光耦U301的2、3脚的电压范围为0-2V；在精密光耦的输出引脚6、7之间也相应输出0-2V的差分电压，经运算放大器U302差分放大后，最终在V/V转换输出接口端 VOUT_A和AGND之间输出标准电压信号，该标准电压信号的范围为0-5V。

如图3所示为0-5V标准信号输入转4-20mA标准信号输出的电路原理图。

第一电压调整电路41包括稳压芯片W301、电阻R312、电阻R313。在本实施例中，电阻R312、电阻R313的阻值之比为R312/R313＝4。

电阻R312的一端、电阻R313的一端相互连接，电阻R312的另一端与稳压芯片W301的输出端连接，电阻R313的另一端与运算放大器U302的输出端连接。稳压芯片W301输出 5V基准电压。所述电阻R312的所述一端即为第一电压调整电路41的输出端。

第一V/I转换电路51包括相互串联的第一压控电流源、第二压控电流源。

第一压控恒流源包括运算放大器U303、NMOS管Q301、电容C306、电阻R314、电阻R315、电阻R316。电阻R312的一端、电阻R313的一端、运算放大器U303的同相输入端相互连接。电容C306的一端、运算放大器U303的反相输入端、NMOS管Q301的源级、电阻 R315的一端相互连接，电容C306的另一端与运算放大器U303的输出端连接。电阻R314的一端与运算放大器U303的输出端连接，电阻R314的另一端与NMOS管Q301的栅极连接。电阻R316的一端与NMOS管Q301的漏级连接，电阻R316的另一端与模拟+15V连接。电阻R315的另一端接地。运算放大器U303的同相输入端为压控恒流源的输入端，即为第一 V/I转换电路51的输入端。

第二压控恒流源包括运算放大器U304、PMOS管Q302、电容C307、电阻R317、电阻R318、电阻R319。电阻R316的一端与运算放大器U304的同相输入端相互连接。运算放大器U304的反相输入端、电容C307的一端、电阻R317的一端、PMOS管Q302的源级相互连接。R317的另一端与模拟+15V连接。电阻R318的一端、电容C307的另一端、运算放大器U304的输出端相互连接。电阻R318的另一端与PMOS管Q302的栅极连接。PMOS管 Q302的漏级、V/I转换输出接口端IOUT_A、电阻R319的一端连接。电阻R319的另一端接地。本实用新型中，模拟+15VA、模拟-15VA、模拟+5VA均表示电压值。

图3的前半部分电路与图2的阐述相同，所以不重复阐述。运算放大器U302输出0-5V 与精准稳压芯片W301输出的5Vref基准电压产生偏置，电阻R312与电阻R313为 k＝R312/R313＝4,这样当运算放大器U302输出为0-5V时，在U303的同相输入端的电压为 1-5V，取电阻R315和R316相同的电阻值，这样在电阻R315和电阻R316上产生1-5V的压降，取电阻R317为250欧姆电阻值的电阻，将IOUT(0-5V转4-20mA)和AGND接入控制系统的采样电阻两端后，只要控制系统的采样电阻不超过500欧姆，便可在场效应晶体管Q302 的DS级产生恒电流信号，即在V/I转换输出接口端IOUT_A输出恒电流信号，该电流信号的范围为4-20mA。

在本实施例中，NMOS管Q301、PMOS管Q302工作在放大状态(即NMOS管Q301、 PMOS管均位于饱和区)。

如图4所示为4-20mA标准信号输入转4-20mA标准信号输出的电路原理图。

当需要将4-20mA标准信号输入转换为4-20mA标准信号输出时，第一放大电路的输出端与V/I转换电路的输入端连接。优选地，运算放大器U302的输出端与运算放大器U303的同相输入端之间连接有电阻R328。

在输入信号接口输入4-20mA标准信号，则在I/I转换输出接口端IOUT_B采集到电流范围为4-20mA标准电流信号。

图4中，输入电流为4-20mA信号，经电阻R301和R302转化为电压后以及R301和R302电阻分压后，在电阻R302上产生0.4V-2V的电压差，高精度线性光耦输出0.4V至2V的差分信号，经运算放大器U302差分放大后在U302的1引脚输出1-5V的电压，在U307的同相输入端的电压为1-5V，取电阻R315和R316相同的电阻值，这样在电阻R315和电阻R316 上产生1-5V的压降，取电阻R317为250欧姆电阻值的电阻，将IOUT_B和AGND接入控制系统的采样电阻两端后，只要控制系统的采样电阻(即R319)不超过500欧姆，便可在场效应晶体管Q304的DS级产生4-20mA的恒电流信号。优选地，R315＝R316＝4K欧姆。R315、 R316、R317均为精度为±0.05％的电阻。

在本实施例中，场效应管Q303、场效应管Q304工作在放大状态(即场效应管Q303、场效应管Q304均位于饱和区)。

如图5所示为4-20mA标准信号输入转0-5V标准信号输出的电路原理图，输入电流为 4-20mA信号，经电阻R301和R302转化为电压后以及R301和R302电阻分压后，在电阻R302上产生0.4V-2V的电压差，高精度线性光耦的6、7引脚输出0.4V至2V的差分信号，经运算放大器U305差分放大后输出0.83V-4.16V的电压，取R326与R327的比值 k＝R326/R327＝2,以W302的精密稳压芯片输出的2.5Vref为基准，这样在运算放大器U306的 1引脚上输出0-5V标准的电压信号，即在I/V转换输出接口端VOUT_B和AGND之间输出标准电压信号，该标准电压信号的范围为0-5V。

在本实施例中，第二电压放大电路的放大倍数为25/12倍。优选地，第二电压放大电路包括运算放大器U305、电阻R320、电阻R321、电阻R322、电阻R323。

电阻R320的一端、电阻R321的一端、运算放大器U305的同相输入端相互连接，电阻R320的另一端接地。电阻R320并联有电容C308。

电阻R322的一端、电阻R323的一端、运算放大器U305的反相输入端相互连接，电阻R323的另一端与运算放大器U305的输出端连接。电阻R323并联有电容C310。

当光隔离放大器2的输出端与第二电压放大电路连接时，电阻R321的另一端与光隔离放大器2的正输出端(VOUT+引脚)连接，电阻R322的另一端与光隔离放大器2的负输出端(VOUT-引脚)连接，光隔离放大器2的正输出端、负输出端之间连接有电容C309。

运算放大器U302的同相输入端、反相输入端之间连接有D302。

优选地，电阻R320、电阻R321、电阻R322、电阻R323满足如下关系：

第二电压调整电路42包括运算放大器U306、稳压芯片W302、电阻R324、电阻R325、电阻R326、电阻R327。

电阻R324的一端与运算放大器U305的输出端连接，电阻R324的另一端与运算放大器 U306的同相输入端连接；

电阻R326的一端与稳压芯片W302的输出端连接，电阻R326的另一端、电阻R327的一端、运算放大器U306的反相输入端相互连接；电阻R327的另一端、运算放大器U306的输出端、I/V转换输出接口端VOUT_B相互连接。

优选地，第二电压调整电路42还包括电阻R325，电阻R325的一端与电阻R326的一端连接，电阻R325的另一端与模拟+15VA连接。

如图6(a)、6(b)、6(c)所示，信号隔离器还包括：

第一DC-DC开关稳压电源61，用于将外部电源转换为数字+5V；

第二DC-DC开关稳压电源62，用于将外部电源转换为模拟+15VA、模拟-15VA；

线性稳压电源63，用于将模拟+15VA转换为模拟+5VA；

所述第一DC-DC开关稳压电源61与外部电源之间连接有第一共模电感L101；

所述第二DC-DC开关稳压电源62与外部电源之间连接有第二共模电感L101；

所述光隔离放大器2具有输入侧供电电源端VDD1、输出侧供电电源端VDD2、输入侧接地端GND1、输出侧接地端GND2，所述输入侧供电电源端VDD1、输出侧供电电源端VDD2 分别与第一DC-DC开关稳压电源61的输出端、线性稳压电源63的输出端连接。所述输入侧接地端GND1、输出侧接地端GND2分别与数字地、模拟地连接。

磁隔离的DCDC开关电源Pow1输出的数字+5V、GND1这一组电源给高精度线性光耦U301的前端供电；磁隔离的DCDC开关电源Pow102输出的模拟±15VA、AGND这一组给图 1中所有的运算放大器、精准稳压芯片供电；线性电源Pow103输出模拟+5VA、AGND这一组电源给高精度线性光耦U301的后端电路供电。

优选地，所述第一DC-DC开关稳压电源61(即Pow101)、第二DC-DC开关稳压电源 62(即Pow102)、线性稳压电源63(即Pow103)的型号分别为WRF2405、URE2415P、 MC78M05，所述外部电源为24V直流电源。

本实用新型中，输入端部分不需要区分信号种类，即可以是4-20mA标准电流信号输入又可以是0-5V标准电压信号输入，输出信号端既可以输出4-20mA电流信号又可以输出0-5V 电压信号，而且输出信号端部分可以同时输出4-20mA电流信号和输出0-5V电压信号，可以将同一模拟量信号送入两个不同信号要求的控制系统中；即四种转换形式：0-5V转0-5V、0-5V 转4-20mA、4-20mA转0-5V、4-20mA转4-20mA，可以实现一种4-20mA或0-5V信号形式输入，两种信号4-20mA和0-5V输出共4组线性组合。

实施例2

如图7、图8所示，实施例2与实施例1的区别在于：当第二开关72处于第三状态时，所述第二开关72的另一个连接端与第一V/I转换电路51的输入端连接且所述第一V/I转换电路51的输出端连接有I/I转换输出接口端IOUT_B，或所述第二开关72的另一个连接端连接有第二V/I转换电路52的输入端且所述第二V/I转换电路52的输出端连接有I/I转换输出接口端IOUT_B。所述第二V/I转换电路52可采用与第一V/I转换电路51的电路结构、电路参数完全相同的电路。

如图8所示为4-20mA标准信号输入转4-20mA标准信号输出的电路原理图。在该实施例中，第二V/I转换电路52包括相互串联的第一压控电流源、第二压控电流源。第一压控恒流源包括运算放大器U303、NMOS管Q301、电容C306、电阻R314、电阻R315、电阻R316。第二压控恒流源包括运算放大器U304、PMOS管Q302、电容C307、电阻R317、电阻R318、电阻R319。第二V/I转换电路与实施例1中的第一V/I转换电路原理相同，可参照前述第一 V/I转换电路原理的相关描述。

图8中，输入电流为4-20mA信号，经电阻R301和R302转化为电压后以及R301和R302电阻分压后，在电阻R302上产生0.4V-2V的电压差，高精度线性光耦输出0.4V至2V的差分信号，经运算放大器U302差分放大后在U302的1引脚输出1-5V的电压，在U307的同相输入端的电压为1-5V，取电阻R331和R330相同的电阻值，这样在电阻R331和电阻R330 上产生1-5V的压降，取电阻R332为250欧姆电阻值的电阻，将IOUT_B和AGND接入控制系统的采样电阻两端后，只要控制系统的采样电阻(即R334)不超过500欧姆，便可在场效应晶体管Q304的DS级产生4-20mA的恒电流信号。优选地，R330＝R331＝4K欧姆。R330、 R331、R332均为精度为±0.05％的电阻。

高精度线性光耦后端具有四种转换形式电路，能够将对4-20mA和0-5V两种输入信号中的任一种信号转换为4-20mA和0-5V标准信号输出，根据多功能信号隔离器后端控制系统的需求，选择相应的标准信号送入控制系统。

本实用新型中，可采用控制器对第一开关71和/或第二开关72和/或第三开关73和/或第四开关进行控制。控制器可采用单片机、DSP或FPGA，本领域技术人员可以理解，上述实施例中的放大倍数并不限制于某个值。只要可以满足隔离器的功能的放大倍数均属于本实用新型保护范围。

本领域技术人员可以理解，上述阻值之比并不限制于某个值。只要可以满足隔离器的功能的第一电压放大电路的放大倍数均属于本实用新型保护范围。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种信号隔离器，其特征在于：包括分压电路(1)、光隔离放大器(2)、第一电压放大电路(31)、第二电压放大电路(32)、第一电压调整电路(41)、第二电压调整电路(42)、第一V/I转换电路(51)、第一开关(71)、第二开关(72)；所述分压电路(1)的输入端与隔离器信号输入接口端连接，所述分压电路(1)的输出端与光隔离放大器(2)的输入端连接；所述光隔离放大器(2)的输出端与第一开关(71)的一个连接端连接，所述第一开关(71)的另一个连接端可切换地与第一电压放大电路(31)的输入端、第二电压放大电路(32)的输入端连接，所述第一电压放大电路(31)的输出端与第二开关(72)的一个连接端连接，所述第二开关(72)具有第一状态、第二状态、第三状态；

当第二开关(72)处于第一状态时，所述第二开关(72)的另一个连接端连接有V/V转换输出接口端VOUT_A；

当第二开关(72)处于第二状态时，所述第二开关(72)的另一个连接端与第一电压调整电路(41)的输入端连接，且所述第一电压调整电路(41)的输出端与第一V/I转换电路(51)的输入端连接，且第一V/I转换电路(51)的输出端连接有V/I转换输出接口端IOUT_A；当第二开关(72)处于第三状态时，所述第二开关(72)的另一个连接端与第一V/I转换电路(51)的输入端连接且所述第一V/I转换电路(51)的输出端连接有I/I转换输出接口端IOUT_B，或所述第二开关(72)的另一个连接端连接有第二V/I转换电路(52)的输入端且所述第二V/I转换电路(52)的输出端连接有I/I转换输出接口端IOUT_B，所述第二V/I转换电路(52)与第一V/I转换电路(51)的电路结构相同；

所述V/I转换输出接口端IOUT_A与I/I转换输出接口端IOUT_B为同一接口端或不同接口端；所述第二电压放大电路(32)的输出端与第二电压调整电路(42)的输入端连接，所述第二电压调整电路(42)的输出端连接有I/V转换输出接口端VOUT_B。

2.根据权利要求1所述的信号隔离器，其特征在于：还包括：

第一DC-DC开关稳压电源(61)，用于将外部电源转换为数字+5V；

第二DC-DC开关稳压电源(62)，用于将外部电源转换为模拟+15VA、模拟-15VA；

线性稳压电源(63)，用于将模拟+15VA转换为模拟+5VA；

所述光隔离放大器(2)具有输入侧供电电源端、输出侧供电电源端、输入侧接地端、输出侧接地端，所述输入侧供电电源端、输出侧供电电源端分别与第一DC-DC开关稳压电源(61)的输出端、线性稳压电源(63)的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的信号隔离器，其特征在于：所述第一DC-DC开关稳压电源(61)、第二DC-DC开关稳压电源(62)、线性稳压电源(63)的型号分别为WRF2405、URE2415P、MC78M05，所述外部电源为24V直流电源。

4.根据权利要求2所述的信号隔离器，其特征在于：所述分压电路(1)包括电阻R301、电阻R302，所述光隔离放大器(2)的输入端、电阻R301的一端、电阻R302的一端相互连接，电阻R301的另一端与隔离器信号输入端连接，电阻R302的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的信号隔离器，其特征在于：所述电阻R301与电阻R302的阻值之比为3:2，所述光隔离放大器(2)的电压增益为1，所述第一电压放大电路(31)的电压放大倍数为2.5，所述第一电压调整电路(41)的输出电压UOUT₄₁与输入电压UIN₄₁的关系为

或

所述电阻R301与电阻R302的阻值分别为150欧姆、100欧姆，所述光隔离放大器(2)的电压增益为1，所述第二电压放大电路(32)的放大倍数为

所述第二电压调整电路(42)的输出电压UOUT₄₂与输入电压UIN₄₂的关系为

6.根据权利要求2所述的信号隔离器，其特征在于：还包括第三开关(73)，所述第三开关(73)的一个连接端与第一V/I转换电路(51)连接；所述第三开关(73)具有第一状态、第二状态；

当第二开关(72)处于第二状态时，所述第三开关(73)处于第一状态，所述第二开关(72)的另一个连接端与第一电压调整电路(41)的输入端连接，且所述第一电压调整电路(41)的输出端与第三开关(73)的另一个连接端连接，且第一V/I转换电路(51)的输出端连接有V/I转换输出接口端IOUT_A；

当第二开关(72)处于第三状态时，所述第三开关(73)处于第二状态，所述第二开关(72)的另一个连接端与第三开关(73)的另一个连接端连接。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的信号隔离器，其特征在于：所述第一V/I转换电路(51)为压控恒流源。

8.根据权利要求7所述的信号隔离器，其特征在于：所述压控恒流源包括第一压控恒流源子电路、第二压控恒流源子电路，所述第一压控恒流源子电路的输出端与第二压控恒流源子电路的输入端连接，所述第二压控恒流源的输出端与模拟地之间连接有采样电阻R319，所述第二压控恒流源的输出端为所述第一V/I转换电路(51)的输出端。

9.根据权利要求8所述的信号隔离器，其特征在于：

所述第一压控恒流源电路包括运算放大器U303、NMOS管Q301、电容C306、电阻R314、电阻R315、电阻R316；所述运算放大器U303的同相输入端为所述压控恒流源的输入端；电容C306的一端、运算放大器U303的反相输入端、NMOS管Q301的源级、电阻R315的一端相互连接，电容C306的另一端与运算放大器U303的输出端连接；电阻R314的一端与运算放大器U303的输出端连接，电阻R314的另一端与NMOS管Q301的栅极连接；电阻R316的一端与NMOS管Q301的漏级连接，电阻R316的另一端与模拟+15VA连接；电阻R315的另一端接地；

所述第二压控恒流源电路包括运算放大器U304、PMOS管Q302、电容C307、电阻R317、电阻R318、电阻R319；所述电阻R316的所述一端与运算放大器U304的同相输入端相互连接；运算放大器U304的反相输入端、电容C307的一端、电阻R317的一端、PMOS管Q302的源级相互连接；R317的另一端与模拟+15VA连接；电阻R318的一端、电容C307的另一端、运算放大器U304的输出端相互连接；电阻R318的另一端与PMOS管Q302的栅极连接；PMOS管Q302的漏级、V/I转换输出接口端、电阻R319的一端连接；电阻R319的另一端接地；各个运算放大器的正电源端、负电源端分别与模拟+15VA、模拟-15VA连接；所述电阻R315的阻值与电阻R316的阻值相等；所述电阻R317的阻值为250欧姆，所述采样电阻R319的阻值不大于500欧姆。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的信号隔离器，其特征在于：所述光隔离放大器(2)的型号为ACPL-C87。

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