一种实用的电压隔离电路

一种实用的电压隔离电路

1 引言

在微机监控系统中，干扰通常是通过电源线和地线串入微机主控系统而引起测试与控制的错误，甚至可能导致严重后果。因此，必须加强数据采集与控制系统的抗干扰性设计。在硬件上，我们通常采用的是微机主控系统与前向通道和后向通道完全实现电气隔离．消除由于共地和共电源线而串入的干扰信号。

光电耦合器是通过光线实现耦合的，输入和输出之间没有直接的电气联系．故具有很强的隔离作用，在实际应用中很广泛，光电耦合器件具有非线性电流传输特性，这对于数字量和开关量的传输不成问题，但若直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。因而．在实际应用中常先将模拟信号经ADC转换成数字信号。再采用光电耦合器进行数字量隔离，这存在有两个问题：

(1)经过ADC转换后需对每位数据线进行隔离，无疑需用多个光电耦合器，而且与微机数据线相接，需采用价格较贵的高速光电耦合器。

(2)对于有些单片机如8098，其内部集成有10位A/D，在精度够用的情况下，希望直接采用其内部的A/D，如果再外加ADC 芯片，则不能充分利用主控系统的资源。既增加了成本又降低了系统的可靠性。

因此，有必要找到一种性能价格比和可靠性都比较高的隔离电路，实现模拟量的线性传输。

2 电路的原理与设计实现

利用偏置方法和差分技术，用普通的非线性光电耦合器构成了具有线性传输特性的隔离放大电路，实现了电压的线性隔离，经反复实验，证明该方案切实可行。

(1)电路原理分析

线性光隔离电路的原理图如图1所示，它由光电耦合器I，光电耦合器II，偏置输入I，偏置输入II和差分放大等单元组成，设置偏置输入I是为了让输入信号落在光电耦合器I的线性区域内，光电耦合器II和偏置输入II是用来提供直流电压信号，它通过差分放大来抵消由于偏置输入I对光电耦合器I的输入作用而使光电耦合器I的输出多增加的直流信号部分。光电耦合器II还能补偿光电耦合器I的光漂移，使得光隔离电路输出稳定。差分放大电路除了恢复输入信号的直流电平外，还具有放大作用，调节其放大倍数使光隔离电路的输出为所要求的数值。

(2)电路组成与实现

本文提出的价格低廉且精度满足用户要求的新型电压隔离电路由单运算放大器LF356、光电耦合器TLP521-2、高速JFET 输入运算放大器LF347及电阻元件构成。LF356主要用于输入信号的处理；TLP521-2光电耦合器完成输入与输出信号的线性隔离．构成图1中的光电耦合器(I)和(II)；LF347则构成图1中的差分放大电路；其硬件结构连线图如图2所示：

图2中，单运算放大器LF356的信号处理功能由运算放大器(I)完成、TLP521-2的线性隔离功能由中间两个光电耦合器完成；高速JFET输入运算放大器LF347的差分放大功能由4个运算放大器(2)-(5)完成。

其具体实现过程如下所述：

调节放大器(I)的反相端，使输入电压为零(即接地)。

由于发光二极管和光敏二极管组成的光电耦合器具有很好的隔离性能，已广泛地用于数字信号的传输．但由于这种光电耦合器传输功能随温度和时间而变化以及非线性特性，因此很难在模拟电路中应用，设置偏置输入I是为了让输入信号落在光电耦合器I的线性区域内，光电耦合器II和偏置辅入II是用来提供直流电压信号，它通过差分放大来抵消由于偏置输入I对光电耦合器I的输入作用而使光电耦台器I的输出多增加的直流信号部份，故首先应使两光耦均同时工作在电流线性区，由图3可查知光耦的电流线性区，通过调节滑动变阻器R1的阻值来改变加在R1两端的电压，便可使通过R6的电流落在光耦的电流线性工作区内。

图3 光耦电流特性曲线

通过调节滑动变阻器R7的阻值来改变通过R7两端的电流，使通过R7的电流值与通过R6的电流值相等，且落在光耦的电流线性工作区内，从而使得两个耦合器的输入电流完全相同。

通过调节滑动变阻器R9的阻值来改变R9两端的电压，使得加在电阻R9两端的电压等于加在电阻RB两端的电压。

通过调节滑动变阻器R17的值，使输出端电压Vout=0。

将给定输入电压与放大器(1)的反相端相连，通过调节R12对输入信号进行差分放大，得到所需电压Vout。

其差分放大原理如下所述：

该放大器由图2中运放(2)、(3)组成第一级差分式电路，(4)组成第二级差分式电路。在第一级电路中，V8、V9分别加到运放(2)和(3)的同相端，R10、R11和R12组成的反馈网络，引入了深度的电压串联反馈，两运放(2)、(3)的两输入端形成虚短和虚断，因而有VR12=V8-V9和VR12/R12=(V8-V9)/(R10+R11+R12)，故得

V8-V9=(R10+R11+R12)/R12×VR12 =(R10+R11+R12)/R12×(V8-V9)

根据利用差分式电路实现减法器的公式，可得：

Vout=-R15/R13×(R10+R11+R12)/R12×(V8-V9)

通过正确选取各电阻元件的参数．便可准确得到所需电压Vout。

3 主要技术指标

(1)因为采用光耦隔离，电路能承受2kV的隔离电压(TLP521-2的隔离电压为2.5kV)。

(2)本电路的功耗极低，价格也相当便宜，整个电路的元器件成本不到30元，却能实现价格为150元的隔离放大器所能实现的隔离传输效果。

(3)我们设计的光隔离电路的传输特性如图4所示，所测的数据列在附表中。附表中的输入电压值(Vin)由双极性D/A输出提供(80H-0V，00H-1.5V，FFH-+1.5V)。输出电压(Vout)是用DT-930型数字万用表测得的：

4 结束语

应用偏置方法和差分技术构成的具有线性传输特性的隔离放大电路，线性度好，电路简单，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统接地隔离问题，反复实验证明本文所述的方案切实可行。