專利名稱:脈寬調制光電耦合模擬信號隔離器的制作方法
本實用新型涉及一種輸入端有調制器、輸出端有解調器的放大器，特別是一種脈寬調制光電耦合模擬信號隔離器。
在已有技術中，用光電耦合器傳遞模擬信號的隔離器，可分為直接傳遞型和變換傳遞型兩類。采用直接傳遞型方案制作的電路中，鑒于光電耦合器輸入、輸出特性的非線性，導致從理論上要求電路制作者必須設法選配兩個特性完全相同的光電耦合器構成能完全抵消其非線性的模擬信號光電隔離器電路，這個要求只有采用激光微調等先進技術對構成光電耦合器的發光二極管－雙光電二極管特性進行修配，才能大批量生產非線性小、頻帶寬、性能穩定的光電耦合模擬信號隔離器集成電路。采用變換傳遞型方案制作的隔離器電路，又可分為脈寬調制型、電壓比較采樣保持型和電壓／頻率－頻率／電壓型等多種。
美國專利4，066，973(1978年)揭示了一種脈寬調制型光電耦合模擬信號隔離器，其技術關鍵是由于只把光電耦合器當作一只開關來使用，使隔離器傳輸特性與光電耦合器的特性無關。它克服了以前采用光電耦合器的信號隔離器因其線性、增益、溫度敏感性等技術指標隨器件性能差別而變化，以致難以對光電耦合器特性進行挑選配對等缺點。但其不足之處是，其中脈寬調制器輸出的正、負向脈沖的寬度除了與輸入信號電壓值有關外，還與構成該調制器的運算放大器正、負向飽和輸出電壓值和信號源內阻有關。前者會隨著器件老化及環境溫度而變化。雖然在該專利的改進電路中，在該放大器輸入、輸出端加接了穩壓橋路，但若要求其電壓溫度系數降至50PPM／℃以下，該橋路中的元件是不易選配的。此外，要使光電耦合器工作在接近理想開關的狀態下，該電路中的放大器必須輸出足夠的驅動電流，以使一般光電耦合器(即使采用電流傳輸比率比較小的廉價光電耦合器)中的光敏三極管都能處于飽和狀態。這個要求，在采用通用運算放大器制成的電路中是難以滿足的。另外，該電路所采用的簡單的平均值運算電路濾波效果欠佳，輸出信號中紋波電壓過大。
本實用新型的目的是要提供一種易于用廉價國產或進口通用元器件制作的脈寬調制光電耦合模擬信號隔離器電路，使其傳輸特性對溫度不敏感，且與隔離器特性和信號源內阻無關。
本隔離器電路框圖示于圖1。圖中I為隔離器輸入端；［1］是阻抗變換器；［2］是脈寬調制器；［3］是互補功率放大器；［4］和［5］是光電耦合器；［6］是輸出互補功率放大器；［7］是限幅器；［8］是平均值運算電路；［9］是同相放大器；O為隔離器輸出端。
阻抗變換器［1］起降低輸出阻抗(或兼有放大)的作用。因為其輸出阻抗與脈寬調制器［2］輸入端電阻相比可忽略不計，且該調制器輸出電壓用溫度補償穩壓管進行限幅，故調制器輸出的正、負向脈沖幅度等于穩壓二極管的穩壓值，寬度僅與輸入信號電壓值和該電路中的電阻、電容參數有關。故只要選用性能穩定的電阻和電容器，即可獲得幅度穩定，寬度只受輸入電壓調制的正、負向脈沖。由互補功率放大器［3］輸出的正、負向脈沖驅動兩個交替工作的光電耦合器［4］和［5］中相應的發光二極管。該發光二極管發出的光射至該耦合器中的光敏三極管，使它處于飽和導通狀態。由于它接近于理想開關，故其輸出電壓近似等于電源電壓，才能使隔離器傳輸特性與光電耦合器特性無關。在光電耦合器電流傳輸比率較小時，在其輸出端要加接一個輸出互補功率放大器［6］，其輸出由限幅器［7］進行限幅，其輸出脈沖幅度等于該穩壓二極管穩壓值，寬度與脈寬調制器［2］輸出的正、負向脈沖相同(兩者相位關系取決于兩個光電耦合器中發光二極管的聯接方式)，再經過平均值運算電路［8］，濾去信號中的交流分量，輸出其中代表正、負脈沖平均值的直流分量，由同相放大器［9］放大到要求的輸出電壓值，輸至隔離器輸出端O。
典型實施方案的詳細電路圖示于圖2、圖3和圖4。在圖2中用運算放大器A1聯接成電壓跟隨器作為阻抗變換器［1］，選擇電阻R1的電阻值與輸入端信號源內阻相等，可獲得最小的溫度漂移。如果輸入端I輸入的是電流信號，則要加上用虛線表示的取樣電阻R，把電流轉變為電壓信號。運算放大器A2、穩壓二極管Z1與電阻R3、R4組成的分壓器構成輸出限幅滯后電路，電阻R5為穩壓管的限流電阻。電阻R7、電容C1和電阻R6、R2構成積分反饋電路，跟隨器A1的輸出電壓與積分反饋電路的電壓在運算放大器A2的反相輸入端疊加。當A1輸出電壓為零時，該脈寬調制器實質上是一個穩幅方波發生器。倘若穩壓二極管的正、負穩壓值VZ相等，則其輸出正、負脈沖幅度都等于VZ，正、負脈沖寬度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)故其平均值應等于零。
當A1輸出電壓為E時，該脈寬調制器輸出的正、負脈沖的占空比受電壓E調制。其幅度仍為VZ，但是正脈沖寬度τ＋＝R7C1Ln (VZ(β1＋β2β3)＋E(1－β2＋β2β4))/(VZ(β2β3－β1)＋E(1－β2＋β2β4)) (2)負脈沖寬度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與(1)式中相同
β4＝ (R7)/(R7＋R6＋R2)故若E為正值，τ＋＜τ－，輸出脈沖平均值為負；若E為負值，τ＋＞τ－，輸出脈沖平均值為正。
由于Z1采用通用的溫度補償穩壓二極管，三極管BG1、BG2構成互補功率放大器［3］，其輸出經限流電阻R9和加速補償電容C2給光電耦合器OC1、OC2的兩個發光二極管饋電。如果在圖2中斷開A點與地線的聯線，把R9、C2和A點相聯，而把B點接地，由于更改了分別由正、負脈沖饋電的兩個發光二極管，使輸出反相。兩個光敏三極管輸出經電阻R10，推動由BG3和BG4組成的另一個互補功率放大器［6］，其輸出經限流電阻R11與溫度補償穩壓管Z2組成的限幅器［7］，輸至由運算放大器A3、電阻R12、R13、R14和電容C3、C4組成的Bulterworth低通有源濾波器作為平均值運算電路［8］，其輸出經電阻R15、電容C5進一步濾波后，由運算放大器A4、電阻R20、R17、R18等組成的同相放大器［9］輸至隔離器輸出端O。電位器W1用來調節隔離器增益，電位器W2用來調節其零點。電容C6也起一定的濾波作用。兩個光電耦合器前后的供電電源＋E1、－E1和＋E2、－E2之間必須相互絕緣。該電路前后兩地線之間的耐壓取決于所采用的光電耦合器的耐壓和電源E1、E2之間的耐壓(取兩者中的小者)。
圖3表示適用于差動輸入的一種實施方案，其方框圖與圖1相同，僅阻抗變換器［1］是一個由運算放大器A5、A6和A7構成的儀表放大器，它們與脈寬調制器［2］中的運算放大器A8可用一塊四運放集成電路，其余電路與圖2中相同。圖中用虛線表示的取樣電阻R，其作用與圖2中所述相同。電位器W3用于調節該儀表放大器的增益，電位器W4用于調節其共模擬制比。圖中R8聯至圖2中BG1、BG2的基極。圖4表示適用于要求有可變響應時間的應用場合的另一種實施方案。其方框圖也與圖1相同，僅阻抗變換器［1］選用由高輸入阻抗運算放大器做的同相／反相輸入放大器，從同相輸入端輸入被測信號，零點調節信號通過外接可調電位器W6輸入反相輸入端，電位器W7用于調節零點變化范圍，故在本方案中如圖2中的電位器W2和電阻R18、R19、R21和R22可取消。電阻R為電流／電壓變換電阻。調節W5可改變隔離器的響應時間。圖中運算放大器A9的輸出端與圖2中電阻R2相聯。
作為本實用新型設計應用的具體實例之一，是用多個本隔離器把微機控制泥漿泵性能測試臺與多臺二次儀表輸出相聯接，實現模擬信號的隔離傳遞。實例之二，是用多個本隔離器把多臺過程監測用PH計與發酵工藝微機PH控制系統相聯，實現模擬信號的隔離傳遞。實例之三，是用本隔離器聯接紅外反射水分計的一、二次儀表。本實用新型與已有技術相比其優點在于傳輸特性與信號源內阻、隔離器中的運算放大器正、負向飽和輸出電壓值和光電耦合器的特性無關，故傳輸特性的穩定性好、非線性小，且易于制作、成本低廉。
權利要求
1.一種由脈寬調制器[2]、光電耦合器[4]和[5]、限幅器[7]、平均值運算電路[8]聯接構成的脈寬調制光電耦合模擬信號隔離器，其特征在于(1)在隔離器輸入端Ⅰ與脈寬調制器[2]之間加有阻抗變換器[1]；(2)在脈寬調制器[2]的輸出端與光電耦合器[4]和[5]的輸入端加有互補功率放大器[3]；(3)在平均值運算電路[8]的輸出端與隔離器輸出端O之間加有同相放大器[9]；(4)脈寬調制器[2]是由溫度補償穩壓二極管、電阻、電容和運算放大器構成；(5)限幅器[7]是由溫度補償穩壓二極管和電阻構成；(6)平均值運算電路[8]是由電阻、電容和運算放大器構成的低通有源濾波器。
2.根據權利要求
1所述的脈寬調制光電耦合模擬信號隔離器，其特征在于阻抗變換器［1］是(1)用一個運算放大器構成增益接近于1的電壓跟隨器；(2)用三個運算放大器構成的儀表放大器；(3)用一個高輸入阻抗運算放大器構成的同相／反相輸入放大器。
3.根據權利要求
1所述的脈寬調制光電耦合模擬信號隔離器，其特征在于同相放大器［9］具有一個零點調整電位器和一個增益調整電位器。
專利摘要
一種脈寬調制光電耦合模擬信號隔離器，其特征是用阻抗變換器降低信號源的輸出阻抗，用溫度補償穩壓二極管穩定脈寬調制器輸出幅度，使其脈沖寬度僅與輸入信號電壓值和該電路中的電阻、電容參數有關；用互補功率放大器驅動光電耦合器中的發光二極管，使隔離器傳輸特性與光電耦合器特性無關；用低通有源濾波器作為平均值運算電路，來濾除輸出信號中的紋波電壓。它可用于微機過程控制或其它工業測控系統中模擬信號的隔離傳遞，以消除地回路干擾電流的影響。
文檔編號H03F3/00GK87209231SQ87209231
公開日1987年12月30日 申請日期1987年6月19日
發明者李昶熹 申請人:核工業部北京第五研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan