云南大学学报(自然科学版) , 2005, 27(5A) :573～575
Journal of Yunnan U niversity
CN 53-1045/N ISSN 0258-7971
基于LM331的新型光电隔离放大器
江文杰1, 蔡建乐2, 周金鹏1
Ξ
(1. 国防科技大学光电科学与工程学院, 湖南长沙 410073;2. 杭州师范学院理学院, 浙江杭州 310018)
摘要:介绍了1种基于LM331的新型光电隔离放大器. 该放大器由V/F , F/V 变换器及光电耦合器等构成, 并利用待测直流电压直接给输入侧回路供电, 具有结构简单、线性度好及成本低等特点, 可作为常规隔离放大器的替代产品, 用于直流电源电压的隔离测量.
关键词:隔离放大器; 光电耦合器;LM331;V/F 变换; F/V 变换
中图分类号:TN 386. 5 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2005) 5A -0573-03
在电信部门的“通信电源、空调及环境集中监控系统”工程中, 大量直流电源设备(整流器、蓄电池组) 输出的电压值是系统中需要监测的重要参数. 为了确保直流电源设备和计算机监测系统设备能各自安全可靠地工作、不产生相互影响, 通常都采用性能优良的隔离放大器对直流电源的电压值进行隔离测量. 目前, 隔离放大器依工作原理区分主要有两大类型:一类为高频变压器隔离式, 如美国ANALO G DEV ICES 公司产品AD202/204[1]等产品; 一类为线性光电耦合器反馈补偿式产品, 如TI 公司的TIL300. 前者性能优良, 单片式结构体积小, 且仅需要输入侧回路的单电源即能工作, 输出侧回路不需要外加供电电源, 而是由输入侧回路电源通过内部的DC -DC 隔离变换器提供, 使用起来方便, 但其价格昂贵; 后者为精密线性光耦, 测量精度高, 且成本较低. 但是[2], 随着TIL300生产线的停产, 以前使用TIL300的用户不得不选择其他器件, 而目前电子元件市场上又没有其他价格、性能可与TIL300相媲美的元件, 这就给使用者带来了很大不便.
文献[3]提出了一种“基于V/F 变换的高精度电量测试系统”, 隔离测量精度可高达3/100000, 但对于单一直流电压的隔离测量来说, 该系统的结构显得比较复杂. 文献[2,4]均提出了用2片普通光耦4N25构成的线性隔离放大器来替代TI 公司
Ξ收稿日期:2005-07-10
的TIL300, 但是该隔离放大器需要2组独立的电源供电, 在工程实际中会给实用者带来不便. 本文研制了1种基于LM331的新型光电隔离放大器模块(以下简称模块) , 利用待测直流电压直接给输入侧回路供电, 具有结构简单、线性度好及成本低等特点, 可作为上述几种型号的替代产品用于直流电源电压的隔离测量.
1 基本原理
图1为新型光电隔离放大器模块原理框图. 模拟量信号V i 经V/F (电压/频率) 变换器作用后, 将输入电压转换与之成正比的频率(脉冲) 信号, 注入光电耦合器进行1∶1的频率信号隔离传送, 然后经过F/V (频率/电压) 变换器又将频率信号转换与它成正比的电压输出信号V 0. 由此可见, 输出信号V 0正比于输入信号V i , 但输出与输入信号之间实现了电气上的全隔离.
图1中的V/F 及F/V 变换器采用通用优质而价廉的LM331[5]芯片, 它的最大线性度误差优于0. 01%, 温度稳定性优于±5×10-5/℃. 片内有一个稳定在1. 9VDC 的基准电压, 当电源电压从3. 9V ～40V 的范围内变化时,1. 9VDC 将非常稳定. 5V 电源电压条件下, 功耗仅15mW. 光电耦合器采用通用价廉的4N25芯片, 其峰值隔离电压大于等于1000V. 上述LM331和4N25芯片的选取
) , 男, 湖南人, 硕士, 副教授, 主要从事光电检测与信号处理技术方向的研究. 作者简介:江文杰(1960-
通讯作者:蔡建乐, E -Mail :[email protected]. cn.
为隔离放大器的线性度误差小, 温度性能好、成本
低廉、隔离可靠等要求提供了基本保证.
此外, 基于LM331的供电电压范围宽及功耗小等特点, 采用直流电源设备上-48V 直接供电及简单降压的方法, 就能为输入侧回路提供电源, 省去常规隔离放大器中给输入侧提供电源的DC -
DC 变换器, 进一步降低成本减小体积. 这样, 模块
就只需要提供一组电源, 即输出侧的工作电源.
2 内部框图及主要引脚功能
图2为模块内部电路框图
.
图1 新型光电隔离放大器原理框图
Fig. 1Principle scheme for new optically coupled isolation
amplifier
图2 隔离放大器内部电路框图
Fig. 2Internal circuit construction for isolation am plifier
图2中脚①②分别为信号的反相、同相输入
端; 脚③为信号反馈端; 脚④⑤分别48V 输入的+, -端; 脚⑩λϖ 分别为输入侧、输出侧频率信号
直流屏的输出电压范围-43～-58V , 测量电压范
围-40～-60V. 利用图2的模块, 可以完成直流屏输出电压的隔离测量, 其电路如图3所示.
图3中48V 电压一方面给输入侧提供电源, 另一方面通过精密电阻R 1, R 2分压取样送入放大器同相端①. 反馈端③与反相端①短接, 放大器连接成跟随形式. 可变电阻R 2用于满档量程的调节. 由于隔离放大器内部V/F 变换器LM331的特性[5], 可以不需要调零而达到极小的输出零点误差. 3. 2 用于测量通信电源系统中直流屏的负载电流 通信电源系统中直流屏的输出直流电流范围为
检测端; 脚⑥⑦分别为输出信号的+, -端; 脚⑧⑨
分别为输出侧的供电电源+15V , -15V 端.
图2中输出侧的同相放大器将F/V 输出转换到标准电平V 0(0～5V , 或0～10V ) 输出, 同时也起到变换输出阻抗作用.
3 应用举例
3. 1 用于测量通信电源系统中直流屏的输出电压
通信电源系统直流设备大多采用-48V 供电,
0～500A ,0～750A ,0～1000A 等. 为了计量电
流, 直流屏输出铜排的负端安装有分流器, 它串联在负载回路中, 如图4所示. 分流器由合金材料构成, 实际上是一个温度系数极小的标准电阻, 常见
的量程有0～50mV ,0～75mV ,0～100mV 等. 直流电流流过分流器并在分流器上产生mV 到几十mV 量级的电压, 测量这个电压就可以计算负载电流的大小
.
图3 直流屏输出电压的测量电路图
Fig. 3Measuring circuit for DC
voltage
图4 直流电流的测量电路图
Fig. 4Measuring circuit for DC current
图4为使用图2的模块构成的直流电流隔离
测量电路图. 图中, 当负载电流流过分流器, 分流器上产生的电压降为上“+”下“-”. 模块的外接电阻R 1, R 2从分流器上取得电压信号. R 1～R 6, R W 及隔离放大器内部输入放大器构成小信号差分放大器, R W 用于满档量程调节. 取R 1=R 2, R 3=R 4, R 5=R 6为0. 1%的精密电阻, 以防差分放大器的共模抑制比[6]降低.
此外, 如果将模块的⑤脚(输入侧放大器的) 也接到R 2在分流器上取样的同一点, 那么“地”
进入差分放大器同相端和反相端的共模信号几乎为零, 保证了测量的可靠性.
构简单、体积小(仅相当于DIP40的IC 所占面积) 、成本低. 在较大幅值直流电压隔离测量的应用场合下, 其性能优良, 参数稳定可靠. 然而, 由于输入侧LM311的供电来自于待测直流电源, 因此在小幅值直流电压(例如低于3. 9V ) 测量时存在死区; 此外, F/V 变换器具有较大的滤波时间常数, 对于变化较快的电压信号或者交变电压信号, 模块的测量精度不够理想, 出现较大的测量误差. 不过, 在通信电源系统中的直流输出电压(如直流屏输出电压、电池组总电压) 幅值高且变化缓慢, 使用该模块进行隔离测量不会受到上述2个因素的影响, 实际证明完全能满足工程的要求.
(下转第586页)
4. 结 论
本文研制的新型光电隔离放大器模块, 电路结
The effects of electrolytical parameters on phase component
and microstructure of titania films by MAO
L U Xian 2yi 1, WU Han 2hua 1,2, WAN G Jian 2bo 1, L I Bo 1, TAN G Yuan 2guang 2, CHAN G Hong 2, J IN Zeng 2sun 1
(1. National K ey Laboratory of Superhard Materials ,Jilin University ,Changchun 130012,China ;
2. College of Physics ,Jilin University ,Changchun 130021,China )
Abstract :Titania films were prepared by microarc oxidation (MAO ) of titanium alloy in Na 3PO 4, Na 2SiO 3or NaOH electrolytic solution ,respectively. The effects of electrolytical kinds on the phase component and surface morphology were studied. The experimental results show that content of anatase and rutile is close 2ly relative to electrolytical kinds ,and surface morphology of coated samples fabricated in different electrolyte solution is different. Which was prepared in Na 3PO 4electrolyte solution ,the film consists of dominant anatase phases ,and the size of the discharge pore in the film surface is smaller and the pore number is infrequent. Whereas ,the film prepared in NaOH electrolyte solution consists of dominant rutile phases ,and the film sur 2face is porous ,the pore size is bigger.
K ey w ords :titaniumalloy ;microarc oxidation ;phase component ;surface morphology
[***********][***********]33
(上接第575页)
参考文献:
[1] ANALO G DEV ICES. Amplifier reference manual[M ].
Norwood ,U. S. A. 1993.
[2] 赵向华, 高 军, 王兆安. 一种实用的线性隔离检测电
师范学院学报,1999,12(2) :41—42.
[4] 施丽莲, 周泽魁. 基于V/F 变换的高精度电量测试系
统[J].电子测量与仪器学报,2004,18(1) :1—5.
[5] 陈建铎. 单片机原理及应用技术[M ].北京:电子工业
出版社,1995.
[6] 童诗白. 模拟电子技术基础[M ].北京:高等教育出版
路[J].电工技术杂志,2000,10:24.
[3] 陈玉红. 一种简单实用的线性光隔离放大器[J].漳州
社,1981.
A new optically coupled isolation amplifier on L M331
J IAN G Wen 2jie 1, CA I Jian 2le 2, ZHOU Jing 2peng 1
(1. College of Opto 2electric Science and Engineering ,NUDT ,Changsha 410073,China ;
2. College of Science ,Hangzhou Teachers ’College ,Hangzhou 310018,China )
Abstract :A new optically coupled isolation amplifier on LM331is reported in this paper ,which is consist 2ed of V/F ,F/V convertor and optocoupler and its circuit on input side is supplied by measuring DC voltage. The isolation amplifier offers many advantages such as simple structure ,high precision ,fine linearity and low cost ,which can be used to replace the usual isolation amplifier in isolating DC voltage.
K ey w ords :isolationamplifier ;optocoupler ;LM331;V/F conversion ; F/V conversion
云南大学学报(自然科学版) , 2005, 27(5A) :573～575
Journal of Yunnan U niversity
CN 53-1045/N ISSN 0258-7971
基于LM331的新型光电隔离放大器
江文杰1, 蔡建乐2, 周金鹏1
Ξ
(1. 国防科技大学光电科学与工程学院, 湖南长沙 410073;2. 杭州师范学院理学院, 浙江杭州 310018)
摘要:介绍了1种基于LM331的新型光电隔离放大器. 该放大器由V/F , F/V 变换器及光电耦合器等构成, 并利用待测直流电压直接给输入侧回路供电, 具有结构简单、线性度好及成本低等特点, 可作为常规隔离放大器的替代产品, 用于直流电源电压的隔离测量.
关键词:隔离放大器; 光电耦合器;LM331;V/F 变换; F/V 变换
中图分类号:TN 386. 5 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2005) 5A -0573-03
在电信部门的“通信电源、空调及环境集中监控系统”工程中, 大量直流电源设备(整流器、蓄电池组) 输出的电压值是系统中需要监测的重要参数. 为了确保直流电源设备和计算机监测系统设备能各自安全可靠地工作、不产生相互影响, 通常都采用性能优良的隔离放大器对直流电源的电压值进行隔离测量. 目前, 隔离放大器依工作原理区分主要有两大类型:一类为高频变压器隔离式, 如美国ANALO G DEV ICES 公司产品AD202/204[1]等产品; 一类为线性光电耦合器反馈补偿式产品, 如TI 公司的TIL300. 前者性能优良, 单片式结构体积小, 且仅需要输入侧回路的单电源即能工作, 输出侧回路不需要外加供电电源, 而是由输入侧回路电源通过内部的DC -DC 隔离变换器提供, 使用起来方便, 但其价格昂贵; 后者为精密线性光耦, 测量精度高, 且成本较低. 但是[2], 随着TIL300生产线的停产, 以前使用TIL300的用户不得不选择其他器件, 而目前电子元件市场上又没有其他价格、性能可与TIL300相媲美的元件, 这就给使用者带来了很大不便.
文献[3]提出了一种“基于V/F 变换的高精度电量测试系统”, 隔离测量精度可高达3/100000, 但对于单一直流电压的隔离测量来说, 该系统的结构显得比较复杂. 文献[2,4]均提出了用2片普通光耦4N25构成的线性隔离放大器来替代TI 公司
Ξ收稿日期:2005-07-10
的TIL300, 但是该隔离放大器需要2组独立的电源供电, 在工程实际中会给实用者带来不便. 本文研制了1种基于LM331的新型光电隔离放大器模块(以下简称模块) , 利用待测直流电压直接给输入侧回路供电, 具有结构简单、线性度好及成本低等特点, 可作为上述几种型号的替代产品用于直流电源电压的隔离测量.
1 基本原理
图1为新型光电隔离放大器模块原理框图. 模拟量信号V i 经V/F (电压/频率) 变换器作用后, 将输入电压转换与之成正比的频率(脉冲) 信号, 注入光电耦合器进行1∶1的频率信号隔离传送, 然后经过F/V (频率/电压) 变换器又将频率信号转换与它成正比的电压输出信号V 0. 由此可见, 输出信号V 0正比于输入信号V i , 但输出与输入信号之间实现了电气上的全隔离.
图1中的V/F 及F/V 变换器采用通用优质而价廉的LM331[5]芯片, 它的最大线性度误差优于0. 01%, 温度稳定性优于±5×10-5/℃. 片内有一个稳定在1. 9VDC 的基准电压, 当电源电压从3. 9V ～40V 的范围内变化时,1. 9VDC 将非常稳定. 5V 电源电压条件下, 功耗仅15mW. 光电耦合器采用通用价廉的4N25芯片, 其峰值隔离电压大于等于1000V. 上述LM331和4N25芯片的选取
) , 男, 湖南人, 硕士, 副教授, 主要从事光电检测与信号处理技术方向的研究. 作者简介:江文杰(1960-
通讯作者:蔡建乐, E -Mail :[email protected]. cn.
为隔离放大器的线性度误差小, 温度性能好、成本
低廉、隔离可靠等要求提供了基本保证.
此外, 基于LM331的供电电压范围宽及功耗小等特点, 采用直流电源设备上-48V 直接供电及简单降压的方法, 就能为输入侧回路提供电源, 省去常规隔离放大器中给输入侧提供电源的DC -
DC 变换器, 进一步降低成本减小体积. 这样, 模块
就只需要提供一组电源, 即输出侧的工作电源.
2 内部框图及主要引脚功能
图2为模块内部电路框图
.
图1 新型光电隔离放大器原理框图
Fig. 1Principle scheme for new optically coupled isolation
amplifier
图2 隔离放大器内部电路框图
Fig. 2Internal circuit construction for isolation am plifier
图2中脚①②分别为信号的反相、同相输入
端; 脚③为信号反馈端; 脚④⑤分别48V 输入的+, -端; 脚⑩λϖ 分别为输入侧、输出侧频率信号
直流屏的输出电压范围-43～-58V , 测量电压范
围-40～-60V. 利用图2的模块, 可以完成直流屏输出电压的隔离测量, 其电路如图3所示.
图3中48V 电压一方面给输入侧提供电源, 另一方面通过精密电阻R 1, R 2分压取样送入放大器同相端①. 反馈端③与反相端①短接, 放大器连接成跟随形式. 可变电阻R 2用于满档量程的调节. 由于隔离放大器内部V/F 变换器LM331的特性[5], 可以不需要调零而达到极小的输出零点误差. 3. 2 用于测量通信电源系统中直流屏的负载电流 通信电源系统中直流屏的输出直流电流范围为
检测端; 脚⑥⑦分别为输出信号的+, -端; 脚⑧⑨
分别为输出侧的供电电源+15V , -15V 端.
图2中输出侧的同相放大器将F/V 输出转换到标准电平V 0(0～5V , 或0～10V ) 输出, 同时也起到变换输出阻抗作用.
3 应用举例
3. 1 用于测量通信电源系统中直流屏的输出电压
通信电源系统直流设备大多采用-48V 供电,
0～500A ,0～750A ,0～1000A 等. 为了计量电
流, 直流屏输出铜排的负端安装有分流器, 它串联在负载回路中, 如图4所示. 分流器由合金材料构成, 实际上是一个温度系数极小的标准电阻, 常见
的量程有0～50mV ,0～75mV ,0～100mV 等. 直流电流流过分流器并在分流器上产生mV 到几十mV 量级的电压, 测量这个电压就可以计算负载电流的大小
.
图3 直流屏输出电压的测量电路图
Fig. 3Measuring circuit for DC
voltage
图4 直流电流的测量电路图
Fig. 4Measuring circuit for DC current
图4为使用图2的模块构成的直流电流隔离
测量电路图. 图中, 当负载电流流过分流器, 分流器上产生的电压降为上“+”下“-”. 模块的外接电阻R 1, R 2从分流器上取得电压信号. R 1～R 6, R W 及隔离放大器内部输入放大器构成小信号差分放大器, R W 用于满档量程调节. 取R 1=R 2, R 3=R 4, R 5=R 6为0. 1%的精密电阻, 以防差分放大器的共模抑制比[6]降低.
此外, 如果将模块的⑤脚(输入侧放大器的) 也接到R 2在分流器上取样的同一点, 那么“地”
进入差分放大器同相端和反相端的共模信号几乎为零, 保证了测量的可靠性.
构简单、体积小(仅相当于DIP40的IC 所占面积) 、成本低. 在较大幅值直流电压隔离测量的应用场合下, 其性能优良, 参数稳定可靠. 然而, 由于输入侧LM311的供电来自于待测直流电源, 因此在小幅值直流电压(例如低于3. 9V ) 测量时存在死区; 此外, F/V 变换器具有较大的滤波时间常数, 对于变化较快的电压信号或者交变电压信号, 模块的测量精度不够理想, 出现较大的测量误差. 不过, 在通信电源系统中的直流输出电压(如直流屏输出电压、电池组总电压) 幅值高且变化缓慢, 使用该模块进行隔离测量不会受到上述2个因素的影响, 实际证明完全能满足工程的要求.
(下转第586页)
4. 结 论
本文研制的新型光电隔离放大器模块, 电路结
The effects of electrolytical parameters on phase component
and microstructure of titania films by MAO
L U Xian 2yi 1, WU Han 2hua 1,2, WAN G Jian 2bo 1, L I Bo 1, TAN G Yuan 2guang 2, CHAN G Hong 2, J IN Zeng 2sun 1
(1. National K ey Laboratory of Superhard Materials ,Jilin University ,Changchun 130012,China ;
2. College of Physics ,Jilin University ,Changchun 130021,China )
Abstract :Titania films were prepared by microarc oxidation (MAO ) of titanium alloy in Na 3PO 4, Na 2SiO 3or NaOH electrolytic solution ,respectively. The effects of electrolytical kinds on the phase component and surface morphology were studied. The experimental results show that content of anatase and rutile is close 2ly relative to electrolytical kinds ,and surface morphology of coated samples fabricated in different electrolyte solution is different. Which was prepared in Na 3PO 4electrolyte solution ,the film consists of dominant anatase phases ,and the size of the discharge pore in the film surface is smaller and the pore number is infrequent. Whereas ,the film prepared in NaOH electrolyte solution consists of dominant rutile phases ,and the film sur 2face is porous ,the pore size is bigger.
K ey w ords :titaniumalloy ;microarc oxidation ;phase component ;surface morphology
[***********][***********]33
(上接第575页)
参考文献:
[1] ANALO G DEV ICES. Amplifier reference manual[M ].
Norwood ,U. S. A. 1993.
[2] 赵向华, 高 军, 王兆安. 一种实用的线性隔离检测电
师范学院学报,1999,12(2) :41—42.
[4] 施丽莲, 周泽魁. 基于V/F 变换的高精度电量测试系
统[J].电子测量与仪器学报,2004,18(1) :1—5.
[5] 陈建铎. 单片机原理及应用技术[M ].北京:电子工业
出版社,1995.
[6] 童诗白. 模拟电子技术基础[M ].北京:高等教育出版
路[J].电工技术杂志,2000,10:24.
[3] 陈玉红. 一种简单实用的线性光隔离放大器[J].漳州
社,1981.
A new optically coupled isolation amplifier on L M331
J IAN G Wen 2jie 1, CA I Jian 2le 2, ZHOU Jing 2peng 1
(1. College of Opto 2electric Science and Engineering ,NUDT ,Changsha 410073,China ;
2. College of Science ,Hangzhou Teachers ’College ,Hangzhou 310018,China )
Abstract :A new optically coupled isolation amplifier on LM331is reported in this paper ,which is consist 2ed of V/F ,F/V convertor and optocoupler and its circuit on input side is supplied by measuring DC voltage. The isolation amplifier offers many advantages such as simple structure ,high precision ,fine linearity and low cost ,which can be used to replace the usual isolation amplifier in isolating DC voltage.
K ey w ords :isolationamplifier ;optocoupler ;LM331;V/F conversion ; F/V conversion