[发明专利]一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电子测量、信号转换领域，是一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法。

背景技术

在现代化工业信息自动化数据采集中，4~20mA电流环信号已经成为主要的信号传输标准之一，而对该信号进行隔离转换，是提高系统安全性较为常用的技术手段。传统的模拟信号线性隔离的方法主要有两种：一是采用光电隔离，二是变压器隔离。前者的信号采用光电耦合器隔离方式实现，隔离前后电路的工作电源一般由采集设备的工作电源通过变压器隔离方式的DC/DC获得；该方法成本较低，体积较小，但因采用普通的方法使用光耦的线性段和线性度不同，很难实现高线性度；电源采用DC/DC转换方式不可避免地引入不必要的电源噪声，降低系统测试精度。后者电源和信号一般都采用变压器隔离形式，隔离前后电路电源由系统电源经变压器隔离方式的DC/DC提供，信号在隔离传输前先调制为数字脉冲后再经变压器隔离，最后再解调为模拟信号来实现；该方法方便实现多路隔离输出，但电路复杂、成本较高，同样存在前者方法中的DC/DC带来噪声的弊端，影响系统测试精度。以上两种方法还有更大的弊端：虽然测量系统与被测系统之间为电气隔离，但隔离前后系统存在电磁耦合信号的传输，被测系统容易受测量系统的干扰和影响，系统的独立性和安全性不高；由于采用了DC/DC电源转换形式，电路基础功耗大。有些在易燃易爆环境下对电路功耗控制极为苛刻的仪器仪表，该弊端尤为显现，以上两种方法将无法使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，采用电流窃电方式，并利用普通的光电耦合器和运算放大器实现模拟信号高线性隔离转换。

本发明的技术方案是一种无源线性光电隔离转换电路的设计方法，它至少包括过滤过压保护电路、电源窃电电路、光电隔离稳定放大电路和光电隔离电路，4至20毫安的电流源直接与过滤过压保护电路的输入端导通，过滤过压保护电路的输出端与光电隔离稳定放大电路的输入端导通，光电隔离稳定放大电路的输出端驱动若干路光电隔离电路，其特征是：隔离前电源窃电电路是整个电路的工作电源；电源窃电电路通过取样电阻与过滤过压保护电路串联，即取样电阻的一端与电源窃电电路导通，取样电阻的另一端与过滤过压保护电路的输出端导通，并导入光电隔离稳定放大电路。

所述的取样电阻串联位置由电源转换电路的转换形式决定；当采用倍压或升压转换时，取样电阻位于电源窃电电路的电流进入端，当采用负向转换时，取样电阻位于电源窃电电路的电流流出端。

所述的过滤过压保护电路是由两级过压过流π型网络保护电路和四个二极管构成的克服极性限制的二极管整流桥导通构成，两级过压过流π型网络保护电路是由限幅二极管和两根保险丝分别导通构成。

所述的限幅二极管是双向肖基特限幅二极管或由两个单向限幅二极管反向串联构成的双向电压限幅的双二极管。

所所述的述的电源窃电电路是由一个实现电流源Ii-电压源Uo的转换的工作电流范围宽的并联型稳压器电路和一个由Uo得到大于Uo工作电源范围的电压倍压、升压或负向电源转换电路构成。

所述的光电隔离稳定放大电路一个高输入阻抗放大单元电路和一个光电耦合器及其外围阻容器件组成的稳态反馈放大电路；光电耦合器是普通的光电耦合器或线性光电耦合器，光电耦合器的发光器是光电二极管，受光器是光敏三极管或光敏二极管。

所述的高输入阻抗放大单元电路是运算放大器电路、场效应管电路或三极管电路，或者其组合构成的复合电路。

所述的若干路光电隔离电路，每路光电隔离电路的输入、输出之间及每路光电隔离电路的输出之间都采用电气隔离；光电隔离电路中的光电耦合器采用普通光电耦合器。

本发明的特点是：1、电路的隔离前输入端转换电路，无需单独提供电源，也无需由隔离后端电源转换提供，信号隔离前后没有电能信号的传递，只有光信号的传输，实现了真正的模拟信号转换电气隔离。

2、利用普通的运算放大器和光耦，设计了一个低成本、高精度、高线性度的隔离电路，电路结构简单，但精度却可达万分之五，甚至优于价格昂贵的专用线性隔离或集成线性隔离运放电路。

3、电路的输入输出端等效负载很小。电路的输入压降较小，对原有信号回路影响小，能普遍满足原有测量系统电路的要求；隔离输出电路对其采集和供电电路的负载能力要求很小，可控制到1mW以内，完全可以满足对电路功耗要求较为苛刻的场合，如易燃易爆场合用的本质安全型电气设备。

4、电路的隔离输出可以同时扩展驱动多路输出，且每路之间都为光电隔离，满足一个信号源同时供多路隔离采样使用，各采样回路之间安全性大大提高。