一种新颖的模拟信号光电隔离方法

1、word38仪表技术与传感器2003 年一种新颖的模拟信号光电隔离方法王继业1, 钮金真1, 王东明2( 11 中央民族大学 物理与电子工程系, 北京100081; 21 北京航星机器制造公司, 北京100013)摘要: 文中介绍了一种新颖的光电耦合器电路, 能用普通的光电耦合器和简单的电路结构实现精度较高的模拟信号的光电隔离。传统的模拟信号光电隔离电路虽然能实现较高精度, 但必须使用特殊的光电耦合器产品和多组互相隔离的电源。新方法克服了这些缺陷, 采用普通光耦产品, 只需要一组电源, 同样能实现较高精度的模拟信号光电隔离, 从而降低新设计的本钱。新电路已成功地应用于便携式 X 射线机产品的电

2、流采样电路中。关键词: 光电耦合器; 光电隔离; 模拟信号中图分类号: T M938. 7文献标识码: A文章编号: 1002- 1841( 2003) 01- 0001- 04New Method of Analog Signal Optical- Electrical IsolatingWang Jiye1 , Niu Jinzhen1, Wang Dongming2( 11 Department of Physics and Electronic Engineer ing , Central U niversity for Nationalities, Beijing 100081, C

3、hina; 21 Beijing HangX ing Machinery M anufacturing Cor poration, Beijing 100013, China)Abstract: A new circuit of opto coupler is introduced that can accurately translate analo g signal isolated side to side by simple ar chitecture and g eneral pur pose optocoupler . Alt houg h t he classic circuit

4、 of opto coupler can tr anslate analog sig nal with hig h accur acy, but special optocoupler and several isolated power supplies must be needed. T he new method only need general optocoupler and a sing le power supply , but can accurately translate analog signal isolated, so t he costs of design can

5、 be decreased if the new cir cuit to be used. T he new circuit has been successful used in the design o f curr ent sample circuit of portable X r ay generator.Key Words: Optocoupler; Optical- Electrical Isolation; Analog Signal.word1 引言光电耦合器多用在数字信号的输入、输出, 实现对相联系的系统的电气隔离, 提高系统的抗干扰能力 1 。有关模拟信号的光电隔离电路也

6、有一些报道 2, 3 , 不过这些电路需要的电源种类较多, 线路比拟复杂, 设计本钱比拟高。为了解决这些问题, 本文就模拟信号的光电隔离电路进行了研究, 采用普通的光电耦合器和简单的电路结构实现精度较高的模拟信号的光电隔 离。应用这个电路解决了X 射线机中电流采样信号的光电隔离问题。2 普通的模拟信号光电隔离电路模拟信号的光电隔离电路图如图1所示, 其中的.word图 1 一般的模拟信号光电隔离电路收稿日期: 2002-10-29.word第 1 期#元器件与应用#39.word光电耦合器 U 2 是一种专用的型号, 较新的产品为SL C800。它的内部包含一个发光二极管和特性一致的两个光电管

7、。运放 U 1、U 2 的发光二极管和其一个光电管组成跟随器电路, 使得 A 点的电位同输入端相同。又因为 U 2 的两个光电管的电路组成相同、特性一致, 使电路中 B 点的电压同 A 点一致。这就实现了模拟电压从输出到输入的隔离转换。为了改善这些缺陷, 以下给出一种新颖的电路。V in/ VV o ut/ VV odi ff / mV3用普通的光电耦合器隔离的可能性2. 030. 224363在实际应用中, 一般希望用普通的光电耦合器实3. 971. 207116现模拟信号的光电隔离, 例如 4N 25。普通光电耦合器4. 031. 241119的典型应用电路如图 2 所示, 其输出- 输入

8、特性如图6. 092. 391723 所示。可以看出, 它们的输出- 输入特性线性很差,7. 953. 26184而且不过原点。因此不能用普通的光电耦合器直接进9. 053. 62171行模拟信号的光电隔离转换。10. 023. 84164该电路较典型, 但其中的光电耦合器已多不生产, 较难得到。由于其输入端需要精度满足要求的运算放 大器, 必须提供单独的电源供使用, 使系统的电源种类较多, 设计本钱增加、系统复杂。图 3 普通光电耦合器的典型输出- 输入特性表 1 普通光耦输入 Vin、输出 Vout和输出误差 Vodiff关系.word.word尽管它们的输出- 输入关系线性很差, 但是,

9、 屡次反复实验说明, 某些型号不同的光电耦合器的特性曲线的一致性相当好, 例如 4N25。实验中, 任取两个 4N 25 光电耦合器分别组成图 2 电路, 比拟相同输入情形下输出电压的差值, 得到结果见表1。由表1可以看出,12. 074. 151614N 25 型号的光电耦合器是具有相当好的一致性的, 据此, 设计出了具有较高性能的光电隔离转换电路。4新颖的模拟电压光电隔离转换电路电路如图 4 所示, 运放 U 3 和光电耦合器U 2 共同组成负反应电路, 使图中 A 点电压 UA 总等于B 点电压 4 UB 。设图 2 电路的电压传输函数为 f , 应用于图4, UA = f ( U i

10、) , UB = f ( U o) , UA = UB, 由图3可知,f 是单调函数, 所以 Uo = U i . 由于两个光电耦合器的特性的一致性, 使输出电压和输入电压相等。其相等的精度取决于两个光耦电路的一致性。任取两个光电耦 合器, 按图中的电路进行了实验, 结果如图 5。图中可以看出, 输出误差都在 10% 以内, 并且和输入电压的.word图 2 普通光电耦合器的典型应用电路关系是单调的。通过调整图 4 中电阻 R 2的阻值,.word.word图 4 利用普通 4N 25 光电耦合器实现的模拟信号光电隔离电路( 下转第 45 页).word第 1 期#总线与网络#45.word动

11、态检测。计算机内部电源经隔离、净化后由两芯电缆 送至线体上的温度采集模块, 计算机串口的RS232 接口电平也经光电隔离、并转为采集模块所需的 RS485 电平, 采用双绞线平衡模式进行数据传输, 计算机与温度采集模块之间的距离可到达1000 m 以上。313系统应用情况与效果上述系统通过使用数字化的传感器和 FF 现场总线技术, 使系统具备了较强的抗干扰能力, 系统性能优于采用模拟量测试传输的系统, 经过长时间实际运行, 证明运行稳定可靠, 到达了设计目标。同时, 由于将检测系统作为全厂质量管理信息系统的一个重要环节来考虑, 通过现场检测信息上网, 使质控管理部门和决策部门可以随时了解生产现

12、场的质量情况, 加以调度, 提高了信息反应速度和准确性, 降低了管理工作量和难度, 提高了产品质量, 节约了经费。4 结论现场总线是对现场设备智能化和自动化控制系统全数字化的需求下产生和开展起来的, 是计算机技术、通信技术、控制技术、显示技术和转换技术的综合和集成, 现场总线的研究与应用将使自动化控制系统的结构和功能发生巨大的变化。基于现场总线技术的全数字智能温度变送器为分布式温度测量提供了有力的手 段, 在此根底上结合合理的现场总线技术和网络设计可以到达简化系统、降低本钱、提高性能和便于维护的 目标, 具有广泛的应用前景。参考 文 献 1 王广志, 吴颖, 黄志光. 数字式温度传感器与分布式

13、温度测量系统 J . 传感技术学报, 2001( 1) : 26- 32 2 Fieldbus Foun dation. T echnical Overview . 1996 3 阳宪惠. 现场总线技术及其应用 M . 北京: 清华大学出版社, 1999 4M arcelo L uis Dult ra. Fieldbus Cont rol System. A dvances in Inst ru- ment at ion and Cont rol , 1996, 51. 5 杨廷善, 周莉. 计算机和测控系统总线手册 M . 北京: 人民邮电出版社, 1993 6 李华. M CS- 51 系

14、列单片机实用接口技术 M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1993.word.word( 上接第 39 页)可以校准输出电压, 从而减小输出误差。R 2 经过调整后的实验结果如图 6, 输出误差比调整前提高了一个量级, 最大值也在 50 mV 以下。图 5 新电路的输入和输出误差关系图 6 新电路校准后的输入和输出误差关系在X 射线机中, X 射线管加上很高的电压, 为了产生硬 X 射线, 电压一般需要加到几百千伏。电流采样虽然较小, 只有毫安量级, 但由于其和高压电路相连, 必须进行光电隔离。应用这个电路解决了 X 射线机中电流采样信号的光电隔离问题。5 结束语这种新颖的光电隔离电路优秀之处在输入端得到 简化, 整个电路结构也比拟简单, 所用光电耦合器不用专门筛选, 并且能到达相当高的精度。如果经过筛选, 精度可以更高。从而本方法可以在模拟信号调理系统中有比拟多的应用。参考 文 献 1 何立民. 单片机应用系统设计 M . 第一版. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1990: 476- 478. 2 佟为明, 杨士彦, 张荣岭. 光电耦合器在模拟电路中的线性应用 J . 电测与仪表, 1994( 10) : 31- 34. 3 陈艳峰, 丘水生. 实用线性光电隔离放大电路分析