一種實用的電壓隔離電路

1  引言
    在微機監控系統中，  干擾通常是通過電源線和地線串入微機主控系統而引起測試與控制的錯誤，甚至可能導致嚴重後果。因此，必須加強數據採集與控制系統的抗干擾性設計。在硬體上，我們通常採用的是微機主控系統與前向通道和後向通道完全實現電氣隔離．消除由於共地和共電源線而串入的干擾信號。
    光電耦合器是通過光線實現耦合的，輸入和輸出之間沒有直接的電氣聯繫．故具有很強的隔離作用，在實際應用中很廣泛，光電耦合器件具有非線性電流傳輸特性，這對於數字量和開關量的傳輸不成問題，但若直接用於模擬量的傳輸，則線性度和精度都很差。因而．在實際應用中常先將模擬信號經ADC轉換成數字信號。再採用光電耦合器進行數字量隔離，這存在有兩個問題：
    (1)經過ADC轉換后需對每位數據線進行隔離，無疑需用多個光電耦合器，而且與微機數據線相接，需採用價格較貴的高速光電耦合器。
    (2)對於有些單片機如8098，其內部集成有10位A/D，在精度夠用的情況下，希望直接採用其內部的A/D，如果再外加ADC晶元，則不能充分利用主控系統的資源。既增加了成本又降低了系統的可靠性。
    因此，有必要找到一種性能價格比和可靠性都比較高的隔離電路，實現模擬量的線性傳輸。

2 電路的原理與設計實現
    利用偏置方法和差分技術，用普通的非線性光電耦合器構成了具有線性傳輸特性的隔離放大電路，實現了電壓的線性隔離，經反覆實驗，證明該方案切實可行。
(1)電路原理分析
  線性光隔離電路的原理圖如圖1所示，它由光電耦合器I，光電耦合器II，偏置輸入I，偏置輸入II和差分放大等單元組成，設置偏置輸入I是為了讓輸入信號落在光電耦合器I的線性區域內，光電耦合器II和偏置輸入II是用來提供直流電壓信號，它通過差分放大來抵消由於偏置輸入I對光電耦合器I的輸入作用而使光電耦合器I的輸出多增加的直流信號部分。光電耦合器II還能補償光電耦合器I的光漂移，使得光隔離電路輸出穩定。差分放大電路除了恢復輸入信號的直流電平外，還具有放大作用，調節其放大倍數使光隔離電路的輸出為所要求的數值。
 
(2)電路組成與實現
    本文提出的價格低廉且精度滿足用戶要求的新型電壓隔離電路由單運算放大器LF356、光電耦合器TLP521-2、高速JFET輸入運算放大器LF347及電阻元件構成。LF356主要用於輸入信號的處理；TLP521-2光電耦合器完成輸入與輸出信號的線性隔離．構成圖1中的光電耦合器(I)和(II)；LF347則構成圖1中的差分放大電路；其硬體結構連線圖如圖2所示：
  
    圖2中，單運算放大器LF356的信號處理功能由運算放大器(I)完成、TLP521-2的線性隔離功能由中間兩個光電耦合器完成；高速JFET輸入運算放大器LF347的差分放大功能由4個運算放大器(2)-(5)完成。
    其具體實現過程如下所述：

• 調節放大器(I)的反相端，使輸入電壓為零(即接地)。
• 由於發光二極體和光敏二極體組成的光電耦合器具有很好的隔離性能，已廣泛地用於數字信號的傳輸．但由於這種光電耦合器傳輸功能隨溫度和時間而變化以及非線性特性，因此很難在模擬電路中應用，設置偏置輸入I是為了讓輸入信號落在光電耦合器I的線性區域內，光電耦合器II和偏置輔入II是用來提供直流電壓信號，它通過差分放大來抵消由於偏置輸入I對光電耦合器I的輸入作用而使光電耦台器I的輸出多增加的直流信號部份，故首先應使兩光耦均同時工作在電流線性區，由圖3可查知光耦的電流線性區，通過調節滑動變阻器R1的阻值來改變加在R1兩端的電壓，便可使通過R6的電流落在光耦的電流線性工作區內。
   
  圖3  光耦電流特性曲線
• 通過調節滑動變阻器R7的阻值來改變通過R7兩端的電流，使通過R7的電流值與通過R6的電流值相等，且落在光耦的電流線性工作區內，從而使得兩個耦合器的輸入電流完全相同。
• 通過調節滑動變阻器R9的阻值來改變R9兩端的電壓，使得加在電阻R9兩端的電壓等於加在電阻RB兩端的電壓。
• 通過調節滑動變阻器R17的值，使輸出端電壓Vout=0。
• 將給定輸入電壓與放大器(1)的反相端相連，通過調節R12對輸入信號進行差分放大，得到所需電壓Vout。

    其差分放大原理如下所述：
    該放大器由圖2中運放(2)、(3)組成第一級差分式電路，(4)組成第二級差分式電路。在第一級電路中，V8、V9分別加到運放(2)和(3)的同相端，R10、R11和R12組成的反饋網路，引入了深度的電壓串聯反饋，兩運放(2)、(3)的兩輸入端形成虛短和虛斷，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)
    根據利用差分式電路實現減法器的公式，可得：
    Vout=-R15/R13×(R10+R11+R12)/R12×(V8-V9)
    通過正確選取各電阻元件的參數．便可準確得到所需電壓Vout。

3 主要技術指標
    (1)因為採用光耦隔離，電路能承受2kV的隔離電壓(TLP521-2的隔離電壓為2.5kV)。
    (2)本電路的功耗極低，價格也相當便宜，整個電路的元器件成本不到30元，卻能實現價格為150元的隔離放大器所能實現的隔離傳輸效果。
    (3)我們設計的光隔離電路的傳輸特性如圖4所示，所測的數據列在附表中。附表中的輸入電壓值(Vin)由雙極性D/A輸出提供(80H-0V，00H-1.5V，FFH-+1.5V)。輸出電壓(Vout)是用DT-930型數字萬用表測得的：
 
 

4 結束語
    應用偏置方法和差分技術構成的具有線性傳輸特性的隔離放大電路，線性度好，電路簡單，有效地解決了模擬信號與單片機應用系統接地隔離問題，反覆實驗證明本文所述的方案切實可行。