基于線性光電耦合器進一步線性化的電路及其實現方法技術

本發明專利技術公開了一種基于線性光電耦合器進一步線性化的電路及其實現方法，電路包括線性光電耦合器(簡稱光耦)U6、第一雙運算放大器(簡稱運放)U2、第二雙運放U3、第三雙運放U7、四運放U1、數字電位器U8、四模擬開關U4及數模電壓轉換器U5；U8的B組電位器用于粗調原始輸出電壓V3的斜率；U5的B組輸出電壓TJD是臨界點電壓值；U7的第1組運放構成比較器，通過V3與TJD的比較決定VK為高電平或低電平，從而決定U4的第1組模擬開關無效斷開或有效閉合，使VY與V3不通或連接；U8的A組電位器抽頭輸出WA經過U7的第2組運放緩沖后，再通過電阻R13耦合到VA，實現進一步線性化補償。本發明專利技術利用線性光耦實現極高精度的模擬信號隔離，其極限精度好于0.01％。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及線性光電耦合器的研究領域，特別涉及一種基于線性光電耦合器進一步線性化的電路及其實現方法。
技術介紹
凡是需要信號隔離或變換的場合，都需要信號隔離器。其應用領域幾乎與行業無關，因為任何行業都可能需要信號的隔離傳輸、變換傳輸或采集控制。模擬信號線性隔離的方法通常有電磁隔離型、電容耦合隔離型和光電隔離型三大類，它們自身的物理特性即極限線性度均為0.1％，從而決定了各種信號隔離器產品的極限精度均為0.1％。信號隔離的作用是為了解決地環流干擾問題(尤其是強弱電地線不能直接相連的問題)、自然干擾問題(比如雷電干擾)、人為干擾問題(比如工作環境的各種電磁輻射)等，避免輸入端和輸出端電路系統因接地點不同所帶來的誤差以及相互干擾，避免輸出端電路與輸入端電路故障的相互影響，提高抗干擾能力。利用光電耦合器(簡稱光耦)實現電信號的線性隔離在體積、成本、抗干擾能力和電路復雜度等方面具有一定的優勢，因此得到廣泛的應用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如ADI的AD202，能夠在從直流到幾K的頻率范圍內提供0.025％的極限線性度，但這種隔離器件內部先進行電壓～頻率轉換，對產生的交流信號進行變壓器隔離，然后進行頻率～電壓轉換達到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜，體積大，成本高，不適合大規模應用。采用光藕實現的隔離，分為數字信號隔離和模擬信號隔離。數字信號的光耦隔離方法簡單，而模擬信號的光耦隔離則要復雜得多，既要達到隔離效果，又要盡可能地保證模擬信號的線性傳輸。為了提高極限精度，開發了以HCNR201(Agilent公司)、LOC210(CLARE公司)、TIL300(TI子公司TOAS)、SLC800(SOLID公司)等為代表的一系列帶有自身線性化負反饋的線性光耦，這些線性光耦不僅提高了線性度(最好可達0.01％)，同時還改善了溫度特性和頻率特性，有力促進了光電隔離型產品的應用。隨著科學技術的發展，工農業生產、自動控制尤其是涉及航空航天業或軍事應用，都對信號隔離器提出了更高要求，即精度需要好于0.01％，成本低，溫度范圍寬，工作頻率較高等。而目前線性光耦的極限線性度為0.01％的水平(批量芯片的線性度一般為0.05％的水平)，疊加電路系統前后級的各種誤差后，實現傳輸精度好于0.01％是根本不可能的，雖然線性光耦基本滿足了低成本、寬溫度范圍及較高工作頻率的要求。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于線性光電耦合器進一步線性化的電路及其實現方法，實現了利用線性光電耦合器的極高精度模擬信號隔離，其極限精度好于0.01％。為了達到上述目的，本專利技術采用以下技術方案：本專利技術提供了一種基于線性光電耦合器進一步線性化的電路，包括線性光電耦合器U6、第一雙運算放大器U2、第二雙運算放大器U3、第三雙運算放大器U7、四運算放大器U1、雙100K數字電位器U8、四模擬開關U4以及數字模擬電壓轉換器U5；電流經第二雙運算放大器U3的L端輸入后轉換成1-5V的電壓，該電壓經過線性光電耦合器U6處理后輸出到第一雙運算放大器U2，所述線性光電耦合器U6、第二雙運算放大器U3和第一雙運算放大器U2構成典型隔離電路，雙100K數字電位器U8的B組電位器作為可調電阻串入U2的第1組運放輸出電壓V2的負載電阻中進行粗調原始輸出電壓的斜率，數字模擬電壓轉換器U5的B組輸出電壓TJD是臨界點電壓值，當V3小于TJD時，由第三雙運算放大器U7的第1組運放構成的比較器決定VK＝5.0V高電平，四模擬開關U4的第1組模擬開關無效斷開，VY與V3不通，雙100K數字電位器U8的A組電位器抽頭輸出WA＝TJD經過第三雙運算放大器U7的第2組運放緩沖后，再通過電阻R13耦合到VA，當V3大于TJD時，VK＝0.0V低電平，四模擬開關U4的第1組模擬開關有效閉合，VY＝V3，WA與VY相關實現線性光耦的進一步線性化補償。作為優選的技術方案，所述線性光電耦合器U6采用HCNR201線性光電耦合器，所述第一雙運算放大器U2和第二雙運算放大器U3均采用AD822運算放大器，所述HCNR201線性光電耦合器和兩個AD822運算放大器共同構成HCNR201典型隔離電路。作為優選的技術方案，所述VA位于2.5伏附近，所述VA主要由電阻R10與R12分壓決定；數字模擬電壓轉換器U5的A組輸出電壓TZB用于調節輸出特性曲線的零點，四運算放大器U1的第4運放構成加法電路，實現V3＝V2與VA1＝VA的合成，形成最終輸出電壓Vo＝V4。作為優選的技術方案，還包括CS、CS1、CK和SD單片機控制數字腳，通過單片機控制數字腳與數字模擬電壓轉換器U5和電位器U8通信，設定或動態調整參數。作為優選的技術方案，根據權利要求1所述的基于線性光電耦合器進一步線性化的電路，其特征在于，所述臨界點電壓值位于2.5V～3.5V的范圍內。作為優選的技術方案，調整之后的輸出電壓的斜率為0.25伏/毫安。本專利技術還提供了一種基于線性光電耦合器進一步線性化的電路的實現方法，包括下述步驟：S1、將電流傳輸誤差轉換為電壓傳輸誤差，所述電壓傳輸誤差的傳輸誤差包絡圖大致呈拋物線形狀；S2、取拋物線的頂點位置，該頂點電壓值定義為臨界點電壓TJD；S3、判斷拋物線的開口方向是向上還是向下；S4、當誤差拋物線的開口向下時，若輸出電壓V3大于TJD，則VK＝0.0V，VY＝V3，WA以TJD為基數將一定比例的V3與TJD的差值通過電阻R13耦合到VA，實現線性光耦的進一步線性化補償；S5、如果誤差拋物線的開口向上，只需將第三雙運算放大器U7的第1組運放比較器的比較輸入端V3與TJD位置互換，基于步驟S4的同樣的方法，實現線性光耦的進一步線性化補償。作為優選的技術方案，在進行線性補償之后，拋物線變成基于臨界點左右大致對稱的兩條拋物線，當補償合理時，兩條拋物線的頂點基本等高，三個最低點也基本等高。作為優選的技術方案，步驟S4中，雙100K數字電位器U8的A組抽頭WA對VY＝V3的采樣比例進行調整，但是耦合到VA的補償值始終是線性的。作為優選的技術方案，進一步包括下述步驟：對最終輸出電壓Vo的斜率進行工作溫度范圍內的動態細調，其調節方法與WA的調節方法相同。本專利技術與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：1、本專利技術實現了利用線性光耦的極高精度模擬信號隔離器的批量自動化生產，其中線性光耦的極限線性度通過進一步線性化后均可好于0.003％，信號隔離器的極限精度均好于0.01％。2、本專利技術利用常規廉價的線性光耦HCNR201，通過臨界點線性加減補償算法，實現了線性光耦的極限線性度的有效突破，HCNR201的極限線性度從最好0.01％(批量芯片0.05％)提高到全工作溫度范圍內(-20度到+60度)線性度均可好于0.003％，使信號隔離器產品的精度大幅提高，克服了光耦隔離的缺陷，充分發揮了光耦隔離的自身優勢。實驗表明，臨界點線性加減補償算法對于其他類型的線性光耦或非線性光耦同樣適用，均可大幅改善線性度，具有普遍意義。附圖說明圖1是本專利技術HCNR201的結構框圖；圖2是本專利技術HCNR201的典型應用原理圖；圖3是本專利技術電路的結構示意圖；圖4是本專利技術線性光耦HCNR201的電流傳輸誤差本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于線性光電耦合器進一步線性化的電路，其特征在于，包括線性光電耦合器U6、第一雙運算放大器U2、第二雙運算放大器U3、第三雙運算放大器U7、四運算放大器U1、雙100K數字電位器U8、四模擬開關U4以及數字模擬電壓轉換器U5；電流經第二雙運算放大器U3的L端輸入后轉換成1?5V的電壓，該電壓經過線性光電耦合器U6處理后輸出到第一雙運算放大器U2，所述線性光電耦合器U6、第二雙運算放大器U3和第一雙運算放大器U2構成典型隔離電路，雙100K數字電位器U8的B組電位器作為可調電阻串入U2的第1組運放輸出電壓V2的負載電阻中進行粗調原始輸出電壓的斜率，數字模擬電壓轉換器U5的B組輸出電壓TJD是臨界點電壓值，當V3小于TJD時，由第三雙運算放大器U7的第1組運放構成的比較器決定VK＝5.0V高電平，四模擬開關U4的第1組模擬開關無效斷開，VY與V3不通，雙100K數字電位器U8的A組電位器抽頭輸出WA＝TJD經過第三雙運算放大器U7的第2組運放緩沖后，再通過電阻R13耦合到VA，當V3大于TJD時，VK＝0.0V低電平，四模擬開關U4的第1組模擬開關有效閉合，VY＝V3，WA與VY相關實現線性光耦的進一步線性化補償。...

【技術特征摘要】
1.基于線性光電耦合器進一步線性化的電路，其特征在于，包括線性光電耦合器U6、第一雙運算放大器U2、第二雙運算放大器U3、第三雙運算放大器U7、四運算放大器U1、雙100K數字電位器U8、四模擬開關U4以及數字模擬電壓轉換器U5；電流經第二雙運算放大器U3的L端輸入后轉換成1-5V的電壓，該電壓經過線性光電耦合器U6處理后輸出到第一雙運算放大器U2，所述線性光電耦合器U6、第二雙運算放大器U3和第一雙運算放大器U2構成典型隔離電路，雙100K數字電位器U8的B組電位器作為可調電阻串入U2的第1組運放輸出電壓V2的負載電阻中進行粗調原始輸出電壓的斜率，數字模擬電壓轉換器U5的B組輸出電壓TJD是臨界點電壓值，當V3小于TJD時，由第三雙運算放大器U7的第1組運放構成的比較器決定VK＝5.0V高電平，四模擬開關U4的第1組模擬開關無效斷開，VY與V3不通，雙100K數字電位器U8的A組電位器抽頭輸出WA＝TJD經過第三雙運算放大器U7的第2組運放緩沖后，再通過電阻R13耦合到VA，當V3大于TJD時，VK＝0.0V低電平，四模擬開關U4的第1組模擬開關有效閉合，VY＝V3，WA與VY相關實現線性光耦的進一步線性化補償。2.根據權利要求1所述的基于線性光電耦合器進一步線性化的電路，其特征在于，所述線性光電耦合器U6采用HCNR201線性光電耦合器，所述第一雙運算放大器U2和第二雙運算放大器U3均采用AD822運算放大器，所述HCNR201線性光電耦合器和兩個AD822運算放大器共同構成HCNR201典型隔離電路。3.根據權利要求1所述的基于線性光電耦合器進一步線性化的電路，其特征在于，所述VA位于2.5伏附近，所述VA主要由電阻R10與R12分壓決定；數字模擬電壓轉換器U5的A組輸出電壓TZB用于調節輸出特性曲線的零點，四運算放大器U1的第4運放構成加法電路，實現V3＝V2與VA1＝VA的合成，形成最終輸出電壓Vo＝V4。4.根據權利要求1所述的基于線性光電耦合器進一步線性化的電路，其特征在于，還包...

【專利技術屬性】
技術研發人員：葉克江，
申請(專利權)人：葉克江，
類型：發明
國別省市：廣東;44