本发明专利技术公开了一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法，电路包括线性光电耦合器(简称光耦)U6、第一双运算放大器(简称运放)U2、第二双运放U3、第三双运放U7、四运放U1、数字电位器U8、四模拟开关U4及数模电压转换器U5；U8的B组电位器用于粗调原始输出电压V3的斜率；U5的B组输出电压TJD是临界点电压值；U7的第1组运放构成比较器，通过V3与TJD的比较决定VK为高电平或低电平，从而决定U4的第1组模拟开关无效断开或有效闭合，使VY与V3不通或连接；U8的A组电位器抽头输出WA经过U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13耦合到VA，实现进一步线性化补偿。本发明专利技术利用线性光耦实现极高精度的模拟信号隔离，其极限精度好于0.01％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及线性光电耦合器的研究领域，特别涉及一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法。
技术介绍
凡是需要信号隔离或变换的场合，都需要信号隔离器。其应用领域几乎与行业无关，因为任何行业都可能需要信号的隔离传输、变换传输或采集控制。模拟信号线性隔离的方法通常有电磁隔离型、电容耦合隔离型和光电隔离型三大类，它们自身的物理特性即极限线性度均为0.1％，从而决定了各种信号隔离器产品的极限精度均为0.1％。信号隔离的作用是为了解决地环流干扰问题(尤其是强弱电地线不能直接相连的问题)、自然干扰问题(比如雷电干扰)、人为干扰问题(比如工作环境的各种电磁辐射)等，避免输入端和输出端电路系统因接地点不同所带来的误差以及相互干扰，避免输出端电路与输入端电路故障的相互影响，提高抗干扰能力。利用光电耦合器(简称光耦)实现电信号的线性隔离在体积、成本、抗干扰能力和电路复杂度等方面具有一定的优势，因此得到广泛的应用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够在从直流到几K的频率范围内提供0.025％的极限线性度，但这种隔离器件内部先进行电压～频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率～电压转换达到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。采用光藕实现的隔离，分为数字信号隔离和模拟信号隔离。数字信号的光耦隔离方法简单，而模拟信号的光耦隔离则要复杂得多，既要达到隔离效果，又要尽可能地保证模拟信号的线性传输。为了提高极限精度，开发了以HCNR201(Agilent公司)、LOC210(CLARE公司)、TIL300(TI子公司TOAS)、SLC800(SOLID公司)等为代表的一系列带有自身线性化负反馈的线性光耦，这些线性光耦不仅提高了线性度(最好可达0.01％)，同时还改善了温度特性和频率特性，有力促进了光电隔离型产品的应用。随着科学技术的发展，工农业生产、自动控制尤其是涉及航空航天业或军事应用，都对信号隔离器提出了更高要求，即精度需要好于0.01％，成本低，温度范围宽，工作频率较高等。而目前线性光耦的极限线性度为0.01％的水平(批量芯片的线性度一般为0.05％的水平)，叠加电路系统前后级的各种误差后，实现传输精度好于0.01％是根本不可能的，虽然线性光耦基本满足了低成本、宽温度范围及较高工作频率的要求。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路及其实现方法，实现了利用线性光电耦合器的极高精度模拟信号隔离，其极限精度好于0.01％。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，包括线性光电耦合器U6、第一双运算放大器U2、第二双运算放大器U3、第三双运算放大器U7、四运算放大器U1、双100K数字电位器U8、四模拟开关U4以及数字模拟电压转换器U5；电流经第二双运算放大器U3的L端输入后转换成1-5V的电压，该电压经过线性光电耦合器U6处理后输出到第一双运算放大器U2，所述线性光电耦合器U6、第二双运算放大器U3和第一双运算放大器U2构成典型隔离电路，双100K数字电位器U8的B组电位器作为可调电阻串入U2的第1组运放输出电压V2的负载电阻中进行粗调原始输出电压的斜率，数字模拟电压转换器U5的B组输出电压TJD是临界点电压值，当V3小于TJD时，由第三双运算放大器U7的第1组运放构成的比较器决定VK＝5.0V高电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关无效断开，VY与V3不通，双100K数字电位器U8的A组电位器抽头输出WA＝TJD经过第三双运算放大器U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13耦合到VA，当V3大于TJD时，VK＝0.0V低电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关有效闭合，VY＝V3，WA与VY相关实现线性光耦的进一步线性化补偿。作为优选的技术方案，所述线性光电耦合器U6采用HCNR201线性光电耦合器，所述第一双运算放大器U2和第二双运算放大器U3均采用AD822运算放大器，所述HCNR201线性光电耦合器和两个AD822运算放大器共同构成HCNR201典型隔离电路。作为优选的技术方案，所述VA位于2.5伏附近，所述VA主要由电阻R10与R12分压决定；数字模拟电压转换器U5的A组输出电压TZB用于调节输出特性曲线的零点，四运算放大器U1的第4运放构成加法电路，实现V3＝V2与VA1＝VA的合成，形成最终输出电压Vo＝V4。作为优选的技术方案，还包括CS、CS1、CK和SD单片机控制数字脚，通过单片机控制数字脚与数字模拟电压转换器U5和电位器U8通信，设定或动态调整参数。作为优选的技术方案，根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，所述临界点电压值位于2.5V～3.5V的范围内。作为优选的技术方案，调整之后的输出电压的斜率为0.25伏/毫安。本专利技术还提供了一种基于线性光电耦合器进一步线性化的电路的实现方法，包括下述步骤：S1、将电流传输误差转换为电压传输误差，所述电压传输误差的传输误差包络图大致呈抛物线形状；S2、取抛物线的顶点位置，该顶点电压值定义为临界点电压TJD；S3、判断抛物线的开口方向是向上还是向下；S4、当误差抛物线的开口向下时，若输出电压V3大于TJD，则VK＝0.0V，VY＝V3，WA以TJD为基数将一定比例的V3与TJD的差值通过电阻R13耦合到VA，实现线性光耦的进一步线性化补偿；S5、如果误差抛物线的开口向上，只需将第三双运算放大器U7的第1组运放比较器的比较输入端V3与TJD位置互换，基于步骤S4的同样的方法，实现线性光耦的进一步线性化补偿。作为优选的技术方案，在进行线性补偿之后，抛物线变成基于临界点左右大致对称的两条抛物线，当补偿合理时，两条抛物线的顶点基本等高，三个最低点也基本等高。作为优选的技术方案，步骤S4中，双100K数字电位器U8的A组抽头WA对VY＝V3的采样比例进行调整，但是耦合到VA的补偿值始终是线性的。作为优选的技术方案，进一步包括下述步骤：对最终输出电压Vo的斜率进行工作温度范围内的动态细调，其调节方法与WA的调节方法相同。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术实现了利用线性光耦的极高精度模拟信号隔离器的批量自动化生产，其中线性光耦的极限线性度通过进一步线性化后均可好于0.003％，信号隔离器的极限精度均好于0.01％。2、本专利技术利用常规廉价的线性光耦HCNR201，通过临界点线性加减补偿算法，实现了线性光耦的极限线性度的有效突破，HCNR201的极限线性度从最好0.01％(批量芯片0.05％)提高到全工作温度范围内(-20度到+60度)线性度均可好于0.003％，使信号隔离器产品的精度大幅提高，克服了光耦隔离的缺陷，充分发挥了光耦隔离的自身优势。实验表明，临界点线性加减补偿算法对于其他类型的线性光耦或非线性光耦同样适用，均可大幅改善线性度，具有普遍意义。附图说明图1是本专利技术HCNR201的结构框图；图2是本专利技术HCNR201的典型应用原理图；图3是本专利技术电路的结构示意图；图4是本专利技术线性光耦HCNR201的电流传输误差本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，包括线性光电耦合器U6、第一双运算放大器U2、第二双运算放大器U3、第三双运算放大器U7、四运算放大器U1、双100K数字电位器U8、四模拟开关U4以及数字模拟电压转换器U5；电流经第二双运算放大器U3的L端输入后转换成1‑5V的电压，该电压经过线性光电耦合器U6处理后输出到第一双运算放大器U2，所述线性光电耦合器U6、第二双运算放大器U3和第一双运算放大器U2构成典型隔离电路，双100K数字电位器U8的B组电位器作为可调电阻串入U2的第1组运放输出电压V2的负载电阻中进行粗调原始输出电压的斜率，数字模拟电压转换器U5的B组输出电压TJD是临界点电压值，当V3小于TJD时，由第三双运算放大器U7的第1组运放构成的比较器决定VK＝5.0V高电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关无效断开，VY与V3不通，双100K数字电位器U8的A组电位器抽头输出WA＝TJD经过第三双运算放大器U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13耦合到VA，当V3大于TJD时，VK＝0.0V低电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关有效闭合，VY＝V3，WA与VY相关实现线性光耦的进一步线性化补偿。...
【技术特征摘要】
1.基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，包括线性光电耦合器U6、第一双运算放大器U2、第二双运算放大器U3、第三双运算放大器U7、四运算放大器U1、双100K数字电位器U8、四模拟开关U4以及数字模拟电压转换器U5；电流经第二双运算放大器U3的L端输入后转换成1-5V的电压，该电压经过线性光电耦合器U6处理后输出到第一双运算放大器U2，所述线性光电耦合器U6、第二双运算放大器U3和第一双运算放大器U2构成典型隔离电路，双100K数字电位器U8的B组电位器作为可调电阻串入U2的第1组运放输出电压V2的负载电阻中进行粗调原始输出电压的斜率，数字模拟电压转换器U5的B组输出电压TJD是临界点电压值，当V3小于TJD时，由第三双运算放大器U7的第1组运放构成的比较器决定VK＝5.0V高电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关无效断开，VY与V3不通，双100K数字电位器U8的A组电位器抽头输出WA＝TJD经过第三双运算放大器U7的第2组运放缓冲后，再通过电阻R13耦合到VA，当V3大于TJD时，VK＝0.0V低电平，四模拟开关U4的第1组模拟开关有效闭合，VY＝V3，WA与VY相关实现线性光耦的进一步线性化补偿。2.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，所述线性光电耦合器U6采用HCNR201线性光电耦合器，所述第一双运算放大器U2和第二双运算放大器U3均采用AD822运算放大器，所述HCNR201线性光电耦合器和两个AD822运算放大器共同构成HCNR201典型隔离电路。3.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，所述VA位于2.5伏附近，所述VA主要由电阻R10与R12分压决定；数字模拟电压转换器U5的A组输出电压TZB用于调节输出特性曲线的零点，四运算放大器U1的第4运放构成加法电路，实现V3＝V2与VA1＝VA的合成，形成最终输出电压Vo＝V4。4.根据权利要求1所述的基于线性光电耦合器进一步线性化的电路，其特征在于，还包...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶克江，
申请(专利权)人：叶克江，
类型：发明
国别省市：广东;44
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