專利名稱：模擬信號調制解調隔離電路及用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于模擬信號隔離處理的調制解調電路，具體說是一種脈寬調制解調電路。
在計算機控制和熱工儀表自動控制中，需對輸入或輸出的模擬信號進行隔離處理，以防止不同控制信號之間的干擾以及環境對控制系統的干擾。通常控制系統對模擬信號的隔離處理要求相當的精度但允許一定的時滯。模/數轉換是控制中常用的一種方法，但由于成本較高且易擊穿，限制了該方法的應用。調頻、調幅-解調也可用于模擬信號隔離，但線路復雜，噪聲及溫漂大。熱工儀表中用磁飽和放大器來完成模擬信號的隔離，為了達到規定的誤差精度，對磁飽和放大器的磁性材料及其工藝要求十分嚴格，導致成本較高，成品率低，質量不穩定。實際生產中這種放大器中所用的磁環的一級品率僅能達到10-20%。
本發明的目的是公開一種特別適用于工業控制用的模擬信號隔離電路。
這種模擬信號隔離電路是一種對信號進行調制-隔離-解調處理的電路。其調制部分是一個脈寬調制電路，包括比較器，脈寬調制器和反饋解調器，比較器是一個電壓比較器，其同相和反相輸入端分別輸入模擬電壓信號和來自解調器的反饋電壓信號;比較器產生的信號控制脈寬調制器，產生占空比與輸入模擬信號成正比的脈沖輸出;反饋解調器是一個積分器，輸入信號取自脈寬調制器。其解調電路包括整形器和解調器，解調器與調制電路的反饋解調器相同。在調制電路與解調電路之間設置光電耦合器作為隔離器。
本發明的工作機理為比較器的輸入端分別為輸入模擬電壓信號及反饋解調電壓信號，當兩個電壓信號不同時，引起比較器輸出信號的變化，增加或減少，對輸入脈寬調制器進行定頻率脈沖占空比調制，改變占空比，使反饋解調電壓與模擬信號相同，形成閉環調制。
調制后脈沖信號經光電隔離耦合到解調器，由于使用了與反饋解調器相同的解調電路，從而保證經隔離后的輸出信號與輸入模擬信號一致。
解調積分電路的一種最佳方案是使用RC積分電路，RC的時間常數影響積分輸出電壓的波紋值，較大的RC值能降低波紋電壓，但其本身又受精度和時滯值的影響。從工業控制實際要求出發，一個較寬的時滯值可使精度和波紋電壓同時滿足使用需要。
一個特別適用于放大器用的隔離器，其RC值取50-100ms，在精度為10-4數量級時，時滯為0.35-0.7S(國標為1秒)，從而降低成本保證了精度要求。
誤差直接影響電子電路的應用價值。本發明涉及的電路存在兩類誤差，一類是系統誤差，如隔離器兩側電源電壓引入的比例誤差，運放的失調電壓、光電耦合器的時滯所引入的常數電壓差等，這類誤差可采用補償方法基本加以消除而不影響精度。另一誤差是偶然誤差，如溫漂及非線性誤差等。本發明采用常規元件如78系列穩壓塊，741類運放塊，4N25系列光電耦合器等，線路總溫漂不超過10-4/℃數量級，非線性誤差不超過70dB，作為伺服放大器，其誤差遠低于國標規定值。
本發明所提供的模擬信號隔離電路可廣泛用于工業控制中。一種用途是替代磁環伺服放大器中的磁飽和電抗器，作為電動伺服放大器中的信號隔離器。另一種用途是作為計算機監控系統的信號隔離器，設置在輸入模擬信號與模/數轉換器之間，或設置在數/模轉換器與控制執行機構之間。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明
圖1是本發明的電路框圖，圖2是本發明的一種具體線路圖，圖3是本發明在伺服放大器中應用實例，圖4是本發明在計算機工業控制系統中的應用實例。
圖1中模擬信號以電壓信號輸入方式輸入比較器，反饋解調器向比較器輸入解調反饋電壓信號，經電壓比較器比較后，控制脈寬調制器，產生占空比與輸入信號成正比的定頻脈沖輸出。上述比較器，脈寬調制器和反饋解調器，組成調制系統，脈沖輸出經光電耦合隔離器，輸到由整形器和解調器的解調系統。整形器將經光電耦合器隔離衰減的脈沖幅度恢復到原狀，經解調器解調，輸出與輸入模擬電壓一致的輸出電壓。
圖2公開一種實用電路，主部件是LM741、NE556、74LS04和一個光電耦合器，積分器由RA、CA和RB、CB組成，兩塊相同的穩壓集成塊(未畫出)分別向光電耦合器的兩側的電路供電。輸入模擬電壓Uin和反饋解調電壓以Vn和Vp輸入比較器LM741，比較器的輸出電壓Vo輸入NE556的控制端Vc，對脈沖寬度進行調制，從NE556的E端輸出脈沖信號一路經反饋積分器RA、CA形成反饋電壓Vp，另一路由光電耦合器隔離后輸入解調系統。74LS04對隔離后的脈沖整形復原，積分器RB、CB的參數與RA、VA完全一致，從而輸出使輸出信號Uout與輸入信號Uin一致。本電路實測指標為當RC＝50ms時溫漂≤10-5/℃非線性-60dB輸入信號 2.5-5.5V輸出波紋電壓≤150mv時滯 0.2ms以上數據大部分優于理論計算結果。
圖3是伺服放大器的原理框圖。圖中隔離器1-3采用本發明所提供的調制-解調電路，替代老式的磁環，使精度有所提高，而生產成本大幅下降。產品性能按電動伺服放大器實行的兩種地方標準檢測，全部合格。
圖4是本發明在計算機工業控制中應用示意圖。在傳感器與A/D轉換器及D/A轉換器與執行器之間所加設的隔離器是本發明提供的調制-隔離-解調電路，既可提高控制系統的抗干擾能力，還可使原計算機控制系統中光電隔離之外的部件，如A/D轉換器并/串轉換器等得到保護，而這部分部件價值較增設部件的價值要高出幾十倍仍至上百倍。
本發明的優點是(1)解決模擬信號隔離的困難，電路的各種性能完全能滿足對時滯無過高要求的使用場合。
(2)采用低價通用電子元件，適合現代化工業生產要求。
(3)生產成本低，產品質量易控制。
權利要求
1.一種用于模擬信號隔離處理的調制解調電路，其特征是該電路的調制部分是一個脈寬調制電路，該電路的解調部分是一個脈沖積分解調電路，在調制部分與解調部分之間經光電耦合器隔離，其中(A)所述脈寬調制電路包括比較器、脈寬調制器和反饋解調器，(A、1)所述的比較器是一個輸入模擬信號電壓和解調反饋電壓的電壓比較器，(A、2)所述脈寬調制器是一個定頻占空比可調方波發生器，脈寬調制信號取自比較器輸出信號，(A、3)所述反饋解調器是一個脈沖積分器，輸入信號取自脈寬調制器輸出信號，該積分器的輸出電壓反饋至比較器輸入端，(B)所述脈沖積分解調電路包括整形器和解調器，該解調器與調制部分的反饋解調器相同。
2.按權利要求1所述的調制解調電路，其特征是所述反饋解調器和解調器是RC積分器。
3.按權利要求2所述的調制解調電路，其特征是所述RC積分器的時間常數為50-100ms。
4.按權利要求1所述的模擬信號隔離處理調制解調電路，作為電動伺服放大器的輸入模擬信號隔離器。
5.按權利要求1所述的模擬信號隔離處理的調制解調器，作為計算機監控系統的模擬信號隔離器。
全文摘要
本發明涉及一種用于模擬信號隔離處理的調制解調電路。該電路包括一個定頻占空比可調脈沖調制部分和一個解調部分，兩部分之間用光電耦合器隔離。在調制部分，模擬輸入電壓量和取自脈寬調制器的解調反饋電壓量經比較分析，對脈寬調制器的實行占空比調節，而解調部的解調器與調制部分的反饋解調器為相同的積分器，從而獲得與輸入模擬電壓一致的輸出電壓。本發明精度高而生產成本低，適用于對時滯要求不高的模擬信號隔離場合，如模擬信號放大器和計算機監控系統。
文檔編號H03F3/38GK1057555SQ9010428
公開日1992年1月1日 申請日期1990年6月18日 優先權日1990年6月18日
發明者鄭和平, 倪金鈴 申請人:辛集市華鹿電器廠