CN87209231U - 脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器 - Google Patents

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李昶熹
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Abstract

一种脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器,其特征是用阻抗变换器降低信号源的输出阻抗,用温度补偿稳压二极管稳定脉宽调制器输出幅度,使其脉冲宽度仅与输入信号电压值和该电路中的电阻、电容参数有关;用互补功率放大器驱动光电耦合器中的发光二极管,使隔离器传输特性与光电耦合器特性无关;用低通有源滤波器作为平均值运算电路,来滤除输出信号中的纹波电压。它可用于微机过程控制或其它工业测控系统中模拟信号的隔离传递,以消除地回路干扰电流的影响。

Description

本实用新型涉及一种输入端有调制器、输出端有解调器的放大器,特别是一种脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器。
在已有技术中,用光电耦合器传递模拟信号的隔离器,可分为直接传递型和变换传递型两类。采用直接传递型方案制作的电路中,鉴于光电耦合器输入、输出特性的非线性,导致从理论上要求电路制作者必须设法选配两个特性完全相同的光电耦合器构成能完全抵消其非线性的模拟信号光电隔离器电路,这个要求只有采用激光微调等先进技术对构成光电耦合器的发光二极管-双光电二极管特性进行修配,才能大批量生产非线性小、频带宽、性能稳定的光电耦合模拟信号隔离器集成电路。采用变换传递型方案制作的隔离器电路,又可分为脉宽调制型、电压比较采样保持型和电压/频率-频率/电压型等多种。
美国专利4,066,973(1978年)揭示了一种脉宽调制型光电耦合模拟信号隔离器,其技术关键是由于只把光电耦合器当作一只开关来使用,使隔离器传输特性与光电耦合器的特性无关。它克服了以前采用光电耦合器的信号隔离器因其线性、增益、温度敏感性等技术指标随器件性能差别而变化,以致难以对光电耦合器特性进行挑选配对等缺点。但其不足之处是,其中脉宽调制器输出的正、负向脉冲的宽度除了与输入信号电压值有关外,还与构成该调制器的运算放大器正、负向饱和输出电压值和信号源内阻有关。前者会随着器件老化及环境温度而变化。虽然在该专利的改进电路中,在该放大器输入、输出端加接了稳压桥路,但若要求其电压温度系数降至50PPM/℃以下,该桥路中的元件是不易选配的。此外,要使光电耦合器工作在接近理想开关的状态下,该电路中的放大器必须输出足够的驱动电流,以使一般光电耦合器(即使采用电流传输比率比较小的廉价光电耦合器)中的光敏三极管都能处于饱和状态。这个要求,在采用通用运算放大器制成的电路中是难以满足的。另外,该电路所采用的简单的平均值运算电路滤波效果欠佳,输出信号中纹波电压过大。
本实用新型的目的是要提供一种易于用廉价国产或进口通用元器件制作的脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器电路,使其传输特性对温度不敏感,且与隔离器特性和信号源内阻无关。
本隔离器电路框图示于图1。图中I为隔离器输入端;[1]是阻抗变换器;[2]是脉宽调制器;[3]是互补功率放大器;[4]和[5]是光电耦合器;[6]是输出互补功率放大器;[7]是限幅器;[8]是平均值运算电路;[9]是同相放大器;O为隔离器输出端。
阻抗变换器[1]起降低输出阻抗(或兼有放大)的作用。因为其输出阻抗与脉宽调制器[2]输入端电阻相比可忽略不计,且该调制器输出电压用温度补偿稳压管进行限幅,故调制器输出的正、负向脉冲幅度等于稳压二极管的稳压值,宽度仅与输入信号电压值和该电路中的电阻、电容参数有关。故只要选用性能稳定的电阻和电容器,即可获得幅度稳定,宽度只受输入电压调制的正、负向脉冲。由互补功率放大器[3]输出的正、负向脉冲驱动两个交替工作的光电耦合器[4]和[5]中相应的发光二极管。该发光二极管发出的光射至该耦合器中的光敏三极管,使它处于饱和导通状态。由于它接近于理想开关,故其输出电压近似等于电源电压,才能使隔离器传输特性与光电耦合器特性无关。在光电耦合器电流传输比率较小时,在其输出端要加接一个输出互补功率放大器[6],其输出由限幅器[7]进行限幅,其输出脉冲幅度等于该稳压二极管稳压值,宽度与脉宽调制器[2]输出的正、负向脉冲相同(两者相位关系取决于两个光电耦合器中发光二极管的联接方式),再经过平均值运算电路[8],滤去信号中的交流分量,输出其中代表正、负脉冲平均值的直流分量,由同相放大器[9]放大到要求的输出电压值,输至隔离器输出端O。
典型实施方案的详细电路图示于图2、图3和图4。在图2中用运算放大器A1联接成电压跟随器作为阻抗变换器[1],选择电阻R1的电阻值与输入端信号源内阻相等,可获得最小的温度漂移。如果输入端I输入的是电流信号,则要加上用虚线表示的取样电阻R,把电流转变为电压信号。运算放大器A2、稳压二极管Z1与电阻R3、R4组成的分压器构成输出限幅滞后电路,电阻R5为稳压管的限流电阻。电阻R7、电容C1和电阻R6、R2构成积分反馈电路,跟随器A1的输出电压与积分反馈电路的电压在运算放大器A2的反相输入端叠加。当A1输出电压为零时,该脉宽调制器实质上是一个稳幅方波发生器。倘若稳压二极管的正、负稳压值VZ相等,则其输出正、负脉冲幅度都等于VZ,正、负脉冲宽度:
τ+=τ-=R7C1Ln (β1+β2 β3)/(β2 β3-β1) (1)
上式中
β1= (R3)/(R3+R4) ;β2= (R2)/(R2+R6) ;β3= (R2+R6)/(R2+R6+R7)
故其平均值应等于零。
当A1输出电压为E时,该脉宽调制器输出的正、负脉冲的占空比受电压E调制。其幅度仍为VZ,但是正脉冲宽度:
τ+=R7C1Ln (VZ(β1+β2β3)+E(1-β2+β2β4))/(VZ(β2β3-β1)+E(1-β2+β2β4)) (2)
负脉冲宽度:
τ-=R7C1Ln (VZ(β1+β2β3)-E(1-β2+β2β4))/(VZ(β2β3-β1)-E(1-β2+β2β4)) (3)
(2)、(3)式中β1、β2和β3与(1)式中相同:
β4= (R7)/(R7+R6+R2)
故若E为正值,τ+<τ-,输出脉冲平均值为负;
若E为负值,τ+>τ-,输出脉冲平均值为正。
由于Z1采用通用的温度补偿稳压二极管,三极管BG1、BG2构成互补功率放大器[3],其输出经限流电阻R9和加速补偿电容C2给光电耦合器OC1、OC2的两个发光二极管馈电。如果在图2中断开A点与地线的联线,把R9、C2和A点相联,而把B点接地,由于更改了分别由正、负脉冲馈电的两个发光二极管,使输出反相。两个光敏三极管输出经电阻R10,推动由BG3和BG4组成的另一个互补功率放大器[6],其输出经限流电阻R11与温度补偿稳压管Z2组成的限幅器[7],输至由运算放大器A3、电阻R12、R13、R14和电容C3、C4组成的Bulterworth低通有源滤波器作为平均值运算电路[8],其输出经电阻R15、电容C5进一步滤波后,由运算放大器A4、电阻R20、R17、R18等组成的同相放大器[9]输至隔离器输出端O。电位器W1用来调节隔离器增益,电位器W2用来调节其零点。电容C6也起一定的滤波作用。两个光电耦合器前后的供电电源+E1、-E1和+E2、-E2之间必须相互绝缘。该电路前后两地线之间的耐压取决于所采用的光电耦合器的耐压和电源E1、E2之间的耐压(取两者中的小者)。
图3表示适用于差动输入的一种实施方案,其方框图与图1相同,仅阻抗变换器[1]是一个由运算放大器A5、A6和A7构成的仪表放大器,它们与脉宽调制器[2]中的运算放大器A8可用一块四运放集成电路,其余电路与图2中相同。图中用虚线表示的取样电阻R,其作用与图2中所述相同。电位器W3用于调节该仪表放大器的增益,电位器W4用于调节其共模拟制比。图中R8联至图2中BG1、BG2的基极。图4表示适用于要求有可变响应时间的应用场合的另一种实施方案。其方框图也与图1相同,仅阻抗变换器[1]选用由高输入阻抗运算放大器做的同相/反相输入放大器,从同相输入端输入被测信号,零点调节信号通过外接可调电位器W6输入反相输入端,电位器W7用于调节零点变化范围,故在本方案中如图2中的电位器W2和电阻R18、R19、R21和R22可取消。电阻R为电流/电压变换电阻。调节W5可改变隔离器的响应时间。图中运算放大器A9的输出端与图2中电阻R2相联。
作为本实用新型设计应用的具体实例之一,是用多个本隔离器把微机控制泥浆泵性能测试台与多台二次仪表输出相联接,实现模拟信号的隔离传递。实例之二,是用多个本隔离器把多台过程监测用PH计与发酵工艺微机PH控制系统相联,实现模拟信号的隔离传递。实例之三,是用本隔离器联接红外反射水分计的一、二次仪表。本实用新型与已有技术相比其优点在于传输特性与信号源内阻、隔离器中的运算放大器正、负向饱和输出电压值和光电耦合器的特性无关,故传输特性的稳定性好、非线性小,且易于制作、成本低廉。

Claims (3)

1、一种由脉宽调制器[2]、光电耦合器[4]和[5]、限幅器[7]、平均值运算电路[8]联接构成的脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器,其特征在于:
(1)在隔离器输入端Ⅰ与脉宽调制器[2]之间加有阻抗变换器[1];
(2)在脉宽调制器[2]的输出端与光电耦合器[4]和[5]的输入端加有互补功率放大器[3];
(3)在平均值运算电路[8]的输出端与隔离器输出端O之间加有同相放大器[9];
(4)脉宽调制器[2]是由温度补偿稳压二极管、电阻、电容和运算放大器构成;
(5)限幅器[7]是由温度补偿稳压二极管和电阻构成;
(6)平均值运算电路[8]是由电阻、电容和运算放大器构成的低通有源滤波器。
2、根据权利要求1所述的脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器,其特征在于阻抗变换器[1]是:
(1)用一个运算放大器构成增益接近于1的电压跟随器;
(2)用三个运算放大器构成的仪表放大器;
(3)用一个高输入阻抗运算放大器构成的同相/反相输入放大器。
3、根据权利要求1所述的脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器,其特征在于:同相放大器[9]具有一个零点调整电位器和一个增益调整电位器。
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