專利名稱：基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)控制領(lǐng)域中的A/D (Analog/Digital,模擬/數(shù)字)電路設(shè)計,特別是涉及一種基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路。
背景技術(shù)：
在工業(yè)控制現(xiàn)場，廣泛使用4mA 20mA直流電流來傳遞過程控制信號，例如現(xiàn)場溫度、壓力、流量等，MCU (Micro Control Unit,微控制單元)要通過A/D轉(zhuǎn)換,才能獲取這些信號進行運行，并最終控制輸出或顯示。在工業(yè)控制現(xiàn)場，為了避免電流回路上的干擾信號串入到MCU電路，一般要求A/D轉(zhuǎn)換電路與MCU隔離，通常有以下2種方法 (I)電壓隔離法在前輸入回路串一個采樣電阻，先把4mA 20mA電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，然后把電壓信號通過AD202之類的隔離變壓器變換到與MCU電路共地的A/D采集芯片，MCU再通過A/D采集芯片完成隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換。(2)在電流輸入回路端完成A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過TLP521之類的普通光隔傳送到MCU。上述兩種方法都需要在輸入電流回路前端單獨提供一路電源，第一種方法所用AD202不僅體積較大，而且價格昂貴；第二種方法所需要的A/D轉(zhuǎn)換芯片和光隔的數(shù)量較多，每一路都要配置一套，當(dāng)有多路信號需要采集時，硬件成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，輸入電流回路前端無需單獨電源，直接從輸入電流回路取電，將輸入電流信號轉(zhuǎn)化為光信號隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的電氣隔離，所需器件較少，能夠降低硬件成本，簡化電路結(jié)構(gòu)，減小電路板面積。本發(fā)明提供的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，包括包括穩(wěn)壓二極管、第一運算放大器、第二運算放大器、線性光隔、第一電阻、第二電阻、第三電阻、A/D轉(zhuǎn)換芯片和MCU，穩(wěn)壓二極管分別與第一運算放大器、線性光隔相連，線性光隔分別與第一運算放大器、第二運算放大器、第一電阻、第二電阻相連，第二運算放大器與第三電阻相連，共同組成放大電路，第二運算放大器還通過A/D轉(zhuǎn)換芯片與MCU相連，其中所述穩(wěn)壓二極管，用于從輸入電流取電給第一運算放大器提供電源；所述第一運算放大器，用于保證線性光隔的輸出光量與輸入電流成線性關(guān)系，并克服溫漂的影響；所述線性光隔，用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為光信號，并將光信號按比例還原成電流信號，實現(xiàn)輸入電流與a/d轉(zhuǎn)換芯片的光隔離；所述第一電阻和第二電阻共同組成一個分流電路，用于對流入線性光隔的電流進行分流；
所述第二運算放大器與第三電阻共同組成一個電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將線性光隔輸入的電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片；所述A/D轉(zhuǎn)換芯片，用于將第二運算放大器輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳給MCU ；所述MCU，用于接收A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D發(fā)來的數(shù)字信號，根據(jù)接收的數(shù)字信號，完成隔離轉(zhuǎn)換。在上述技術(shù)方案中，所述線性光隔包括LED、第一光電二極管和第二光電二極管，第一運算放大器包括第一電源正端、第一輸入正端、第一輸入負端、第一輸出端和第一接地端，第二運算放大器包括第二電源正端、第二輸入正端、第二輸入負端、第二輸出端和第二接地端，所述穩(wěn)壓二極管的正極、第一運算放大器的第一電源正端均與輸入電流信號的正端相連，穩(wěn)壓二極管的負極分別與第一運算放大器的第一輸入正端、第一接地端、線性光隔中LED的負級、第一光電二極管的負級相連，第一運算放大器的第一輸出端與線性光隔中LED的正級相連，第一輸入負端與線性光隔中第一光電二極管的正級相連。 在上述技術(shù)方案中，所述第一運算放大器作為反饋放大器，用于穩(wěn)定和線性化LED輸出的光量，保證LED的正極電壓和負極電壓相等。在上述技術(shù)方案中，所述線性光隔中第一光電二極管的正級與第一電阻的一端相連，第一電阻的另一端與輸入電流信號的負端相連；第一光電二極管的負級與第二電阻的一端相連，第二電阻的另一端與輸入電流信號的負端相連。在上述技術(shù)方案中，所述第一電阻和第二電阻共同組成的分流電路對流入線性光隔中第一光電二極管的電流進行分流，保證流過線性光隔中第一光電二極管的電流^ 50uA。在上述技術(shù)方案中，所述線性光隔中第二光電二極管的正級與電源接地端相連，第二光電二極管的負級與第二運算放大器的第二輸入負端相連，第三電阻的一端與第二運算放大器的第二輸入負端相連，第三電阻的另一端與第二運算放大器的第二輸出端相連。在上述技術(shù)方案中，所述第二運算放大器與第三電阻共同組成的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將線性光隔中的第二光電二極管輸入的電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片。在上述技術(shù)方案中，所述線性光隔中的第一光電二極管與第二光電二極管匹配，將光信號按比例還原成電流信號，實現(xiàn)輸入電流與A/D轉(zhuǎn)換芯片的光隔離。在上述技術(shù)方案中，所述A/D轉(zhuǎn)換芯片包括第三電源正端、A/D輸入端、第一串口或第一并口、第三接地端，MCU包括第四電源正端、第二串口或第二并口、第四接地端，第二運算放大器的第二電源正端與電源正端相連，第二輸入正端、第二接地端均與電源接地端相連，第二輸出端與A/D轉(zhuǎn)換芯片的A/D輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第一串口或第一并口與MCU的第二串口或第二并口相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第三電源正端和MCU的第四電源正端均與電源正端相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第三接地端、MCU的第四接地端均與電源接地端相連。在上述技術(shù)方案中，所述A/D轉(zhuǎn)換芯片通過第一串口或第一并口將數(shù)字信號傳給MCU, MCU通過第二串口或第二并口接收A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D發(fā)來的數(shù)字信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下本發(fā)明的輸入電流回路前端無需單獨電源，直接從輸入電流回路取電，將輸入電流信號轉(zhuǎn)化為光信號隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的電氣隔離，所需器件較少，能夠降低硬件成本，簡化電路結(jié)構(gòu)，減小電路板面積。


圖I是本發(fā)明實施例基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路的電路圖。圖2是圖I的等效電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。參見圖I所示，本發(fā)明實施例提供一種基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，包括 穩(wěn)壓二極管Z、第一運算放大器Al、第二運算放大器A2、線性光隔U、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、A/D轉(zhuǎn)換芯片和MCU，穩(wěn)壓二極管Z分別與第一運算放大器Al、線性光隔U相連，線性光隔U分別與第一運算放大器Al、第二運算放大器A2、第一電阻R1、第二電阻R2相連，第二運算放大器A2與第三電阻R3相連，共同組成放大電路，第二運算放大器A2還通過A/D轉(zhuǎn)換芯片與MCU相連，其中穩(wěn)壓二極管Z，用于從輸入電流取電給第一運算放大器Al提供電源；第一運算放大器Al，用于保證線性光隔U的輸出光量與輸入電流成線性關(guān)系，并克服溫漂的影響；線性光隔U，用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為光信號，并將光信號按比例還原成電流信號，實現(xiàn)輸入電流與A/D轉(zhuǎn)換芯片的光隔離；第一電阻Rl和第二電阻R2共同組成一個分流電路，用于對流入線性光隔的電流進行分流；第二運算放大器A2與第三電阻R3共同組成一個電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將線性光隔U中第二光電二極管PD2輸入的電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號,輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片；A/D轉(zhuǎn)換芯片，用于將第二運算放大器A2輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳給MCU ；MCU，用于接收A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D發(fā)來的數(shù)字信號，根據(jù)接收的數(shù)字信號，完成隔尚轉(zhuǎn)換。參見圖I所示,線性光隔U包括LED (Light Emitting Diode,發(fā)光二極管)、第一光電二極管F1D (Photo Diode,光電二極管)I和第二光電二極管Η)2,第一運算放大器Al包括第一電源正端VC1、第一輸入正端ΙΝ+1、第一輸入負端ΙΝ-1、第一輸出端OUTl和第一接地端GNDl，第二運算放大器Α2包括第二電源正端VC2、第二輸入正端ΙΝ+2、第二輸入負端ΙΝ-2、第二輸出端0UT2和第二接地端GND2。參見圖I所示，穩(wěn)壓二極管Z的正極、第一運算放大器Al的第一電源正端VCl均與輸入電流信號的正端Iin+相連，穩(wěn)壓二極管Z的負極分別與第一運算放大器Al的第一輸入正端IN+、第一接地端GND1、線性光隔U中LED的負級、第一光電二極管HH的負級相連，第一運算放大器Al的第一輸出端OUTl與線性光隔U中LED的正級相連,第一輸入負端IN-I與線性光隔U中第一光電二極管HH的正級相連。第一運算放大器作為反饋放大器，用于穩(wěn)定和線性化LED輸出的光量，保證LED的正極電壓和負極電壓相等。
參見圖I所示，線性光隔U中第一光電二極管PDl的正級與第一電阻Rl的一端相連，第一電阻Rl的另一端與輸入電流信號的負端Iin-相連；第一光電二極管PDl的負級與第二電阻R2的一端相連,第二電阻R2的另一端與輸入電流信號的負端Iin-相連。第一電阻Rl和第二電阻R2共同組成的分流電路，對流入線性光隔U中第一光電二極管roi的電流進行分流，保證流過線性光隔U中第一光電二極管HH的電流彡50uA。參見圖I所示，線性光隔U中第二光電二極管PD2的正級與電源接地端AGND相連，第二光電二極管TO2的負級與第二運算放大器A2的第二輸入負端IN-2相連，第三電阻R3的一端與第二運算放大器A2的第二輸入負端IN-2相連，第三電阻R3的另一端與第二運算放大器A2的第二輸出端0UT2相連。第二運算放大器與第三電阻共同組成的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將線性光隔中的第二光電二極管輸入的電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片。線性光隔U中的第一光電二極管PDl與第二光電二極管Η)2匹配，將光信號按比例還原成電流信號，實現(xiàn)輸入電流與A/D轉(zhuǎn)換芯片的光隔離。 參見圖I所示，A/D轉(zhuǎn)換芯片包括第三電源正端VC3、A/D輸入端、第一串口或第一并口、第三接地端GND3，MCU包括第四電源正端VC4、第二串口或第二并口、第四接地端GND4，第二運算放大器A2的第二電源正端VC2與電源正端VCC相連，第二輸入正端IN+2、第二接地端GND2均與電源接地端AGND相連，第二輸出端0UT2與A/D轉(zhuǎn)換芯片的A/D輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第一串口或第一并口與MCU的第二串口或第二并口相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第三電源正端VC3和MCU的第四電源正端VC4均與電源正端VCC相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第三接地端GND3、MCU的第四接地端GND4均與電源接地端AGND相連。參見圖I所示，A/D轉(zhuǎn)換芯片將第二運算放大器A2輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過第一串口或第一并口將數(shù)字信號傳給MCU ;MCU通過第二串口或第二并口(取決于A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口類型)，接收A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D發(fā)來的數(shù)字信號，根據(jù)接收的數(shù)字信號，完成隔離轉(zhuǎn)換。本發(fā)明實施例的原理詳細闡述如下參見圖2所示，當(dāng)輸入回路的電流Iuxjp流過LED時，LED隨即發(fā)光，LED發(fā)出的光照射到第一光電二極管PDl和第二光電二極管PD2上。第一運算放大器Al作為反饋放大器，用于穩(wěn)定和線性化LED輸出的光量，始終保證LED的正極電壓和負極電壓相等?；诰€性光隔的加工工藝，第一光電二極管PDl和第二光電二極管PD2會收到相同的光照，并產(chǎn)生相同的電流。例如，當(dāng)輸入回路的電流Iuxff增大時，流過第二電阻R2的電流也增大，第一運算放大器Al的第一輸入正端IN+的電壓也相應(yīng)增大，導(dǎo)致第一運算放大器Al的第一輸出端OUTl的電壓也增大，同時，LED的發(fā)光量If也增大；根據(jù)線性光隔的特點，第一光電二極管PDl產(chǎn)生的電流Ipdi也增大，使得第一運算放大器Al的第一輸入負端IN-I的電壓也增大，直到第一運算放大器Al的第一輸入負端IN-I的電壓等于其第一輸入正端IN+的電壓。假設(shè)第一運算放大器Al是個理想運算放大器，其第一輸入正端IN+1和第一輸入負端IN-I都沒有電流流入，第一電阻Rl和第二電阻R2共同組成一個分流電路，則可按照公式(I)計算出第一光電二極管PDl產(chǎn)生的電流Ipdi Ipd1=ILoop*R2/(R1+R2)(!)
公式(I)中，第一光電二極管PDl產(chǎn)生的電流Ipdi與流過LED電流無關(guān)。根據(jù)線性光隔加工工藝特點，流過第二光電二極管TO2的電流Ipd2與第一光電二極管PDl產(chǎn)生的電流Ipdi相等，即Ipdi=Ipd2(2)同時，第二運算放大器A2與第三電阻R3共同組成一個電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，第二運算放大器A2的輸出電壓Vout的計算公式為Vout=IPD2*R3(3)根據(jù)公式(1)、(2)和(3)可推導(dǎo)出 Vout=IL00P*R2*R3/ (R1+R2)(4)從公式(4)可知第二運算放大器A2的輸出電壓Vout與輸入回路的電流I·成線性關(guān)系，A/D轉(zhuǎn)換芯片將第二運算放大器A2的輸出電壓Vout轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)字信號發(fā)給MCU處理，這就完成了輸入電流的隔離轉(zhuǎn)換。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明包含這些改動和變型在內(nèi)。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于包括穩(wěn)壓二極管、第一運算放大器、第二運算放大器、線性光隔、第一電阻、第二電阻、第三電阻、A/D轉(zhuǎn)換芯片和MCU，穩(wěn)壓二極管分別與第一運算放大器、線性光隔相連，線性光隔分別與第一運算放大器、第二運算放大器、第一電阻、第二電阻相連，第二運算放大器與第三電阻相連，共同組成放大電路，第二運算放大器還通過A/D轉(zhuǎn)換芯片與MCU相連，其中 所述穩(wěn)壓二極管，用于從輸入電流取電給第一運算放大器提供電源； 所述第一運算放大器，用于保證線性光隔的輸出光量與輸入電流成線性關(guān)系，并克服溫漂的影響； 所述線性光隔，用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為光信號，并將光信號按比例還原成電流信號，實現(xiàn)輸入電流與A/D轉(zhuǎn)換芯片的光隔離； 所述第一電阻和第二電阻共同組成一個分流電路，用于對流入線性光隔的電流進行分流； 所述第二運算放大器與第三電阻共同組成一個電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將線性光隔輸入的電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片； 所述A/D轉(zhuǎn)換芯片，用于將第二運算放大器輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳給MCU ； 所述MCU，用于接收A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D發(fā)來的數(shù)字信號，根據(jù)接收的數(shù)字信號，完成隔尚轉(zhuǎn)換。
2.如權(quán)利要求I所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述線性光隔包括LED、第一光電二極管和第二光電二極管,第一運算放大器包括第一電源正端、第一輸入正端、第一輸入負端、第一輸出端和第一接地端，第二運算放大器包括第二電源正端、第二輸入正端、第二輸入負端、第二輸出端和第二接地端，所述穩(wěn)壓二極管的正極、第一運算放大器的第一電源正端均與輸入電流信號的正端相連，穩(wěn)壓二極管的負極分別與第一運算放大器的第一輸入正端、第一接地端、線性光隔中LED的負級、第一光電二極管的負級相連，第一運算放大器的第一輸出端與線性光隔中LED的正級相連,第一輸入負端與線性光隔中第一光電二極管的正級相連。
3.如權(quán)利要求2所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述第一運算放大器作為反饋放大器，用于穩(wěn)定和線性化LED輸出的光量，保證LED的正極電壓和負極電壓相等。
4.如權(quán)利要求3所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述線性光隔中第一光電二極管的正級與第一電阻的一端相連，第一電阻的另一端與輸入電流信號的負端相連；第一光電二極管的負級與第二電阻的一端相連，第二電阻的另一端與輸入電流信號的負端相連。
5.如權(quán)利要求4所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述第一電阻和第二電阻共同組成的分流電路對流入線性光隔中第一光電二極管的電流進行分流，保證流過線性光隔中第一光電二極管的電流彡50uA。
6.如權(quán)利要求5所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述線性光隔中第二光電二極管的正級與電源接地端相連，第二光電二極管的負級與第二運算放大器的第二輸入負端相連，第三電阻的一端與第二運算放大器的第二輸入負端相連，第三電阻的另一端與第二運算放大器的第二輸出端相連。
7.如權(quán)利要求6所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述第二運算放大器與第三電阻共同組成的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將線性光隔中的第二光電二極管輸入的電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片。
8.如權(quán)利要求7所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述線性光隔中的第一光電二極管與第二光電二極管匹配，將光信號按比例還原成電流信號，實現(xiàn)輸入電流與A/D轉(zhuǎn)換芯片的光隔離。
9.如權(quán)利要求8所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換芯片包括第三電源正端、A/D輸入端、第一串口或第一并口、第三接地端，MCU包括第四電源正端、第二串口或第二并口、第四接地端，第二運算放大器的第二電源正端與電源正端相連，第二輸入正端、第二接地端均與電源接地端相連，第二輸出端與A/D轉(zhuǎn)換芯片的A/D輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第一串口或第一并口與MCU的第二串口或第二并口相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第三電源正端和MCU的第四電源正端均與電源正端相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片的第三接地端、MCU的第四接地端均與電源接地端相連。
10.如權(quán)利要求9所述的基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換芯片通過第一串口或第一并口將數(shù)字信號傳給MCU，MCU通過第二串口或第二并口接收A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D發(fā)來的數(shù)字信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于線性光隔的模數(shù)隔離轉(zhuǎn)換電路，涉及工業(yè)控制領(lǐng)域中的A/D電路設(shè)計，該電路包括穩(wěn)壓二極管、第一運算放大器、第二運算放大器、線性光隔、第一電阻、第二電阻、第三電阻、A/D轉(zhuǎn)換芯片和MCU，穩(wěn)壓二極管分別與第一運算放大器、線性光隔相連，線性光隔分別與第一運算放大器、第二運算放大器、第一電阻、第二電阻相連，第二運算放大器與第三電阻相連，共同組成放大電路，第二運算放大器還通過A/D轉(zhuǎn)換芯片與MCU相連。本發(fā)明的輸入電流回路前端無需單獨電源，直接從輸入電流回路取電，將輸入電流信號轉(zhuǎn)化為光信號隔離，能實現(xiàn)電氣隔離，所需器件較少，能夠降低硬件成本，簡化電路結(jié)構(gòu)，減小電路板面積。
文檔編號H03M1/12GK102970040SQ20121045534
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者張曉輝, 江煒, 孫玉平, 孫建華, 鄒海, 徐斌, 汪偉 申請人:中國船舶重工集團公司第七一九研究所