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用于测试仪表放大器的差分光隔离驱动器

文章作者:Dusan Ponikvar

在此DI中，您将看到如何使用光耦合器在其线性范围内工作，以产生校准仪器放大器的隔离测试信号。

我们使用的一些电信号据说是相对于地面“浮动”的。典型的例子可能是电源中的分流电阻上的电压下降，或者复杂的生物医学信号，如心电图。在这种情况下，仪表放大器(IA)被用来放大信号的微分模分量和抑制其共模分量。

仪表放大器在设计过程中需要使用真实信号进行测试，在实际使用时也需要定期进行测试。IA还应该通过对其输入应用一个已知的、校准的测试信号来评估，以确定其准确性、共模信号抑制，以及它在使用时可能发生的各种错误连接对它的影响。医用IA的测试信号源应产生形状合适的信号U_出振幅范围为很少mV，频率范围为零到很少kHz。信号源应该有(两个)差分输出，可以连接到IA的各个输入端，如图1所示。

图1差分信号源

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输出电阻RG1和RG2应至少为几千瓦，以模拟他们将在现实生活中测量的物体的特性。此外，两个输出应与地面电隔离，但应提供一个通用参考，以测试AI的抗共模干扰能力。

几种不同类型的测试信号源是现成的。每一种类型，从函数生成器开始，到专门的数字合成器结束，提供了不同水平的精度和复杂性。许多可以提供适当幅度和频率范围的信号，有些甚至可以模拟心电图、脑电图和其他医疗信号。然而，使用这些源可能是具有挑战性的，因为它们中的许多都是单端输出，并没有充分地与地面隔离以允许共模分离测试。

这些源可以适应于测试IAs，加上一个驱动电路，将单端信号转换为差分信号，并确保电位分离。本文介绍了该电路的设计、结构和应用。它的输出可能与地面和一个“常见的“有信号。”此外，仿真信号的阻抗可以调整以匹配单端源的阻抗。

模拟信号的实用光学隔离

输入和输出之间的隔离是使用光耦合器(OC)来实现的，OC是一种在同一封装中包含一个发光二极管(LED)和一个光电二极管(PD)的器件。局部放电充当检测器，即光电电流发生器，通过局部放电的电流与通过LED的信号所产生的光成正比。

对于涉及差动信号的应用，采用单LED驱动两个pd的双通道OC，如Vishay的IL300。通常首选双通道器件，以确保两个通道响应之间的任何变化(由于制造变化)保持在最小。在这种应用中，LED的光被定向到两个PD，其中一个PD可以用来监控LED产生的光量，为LED的驱动提供线性反馈。第二个局部放电用于实际传输信号跨越隔离屏障到输出。参考文献3提供了几个包含OC的电路实例。然而，所有这些例子都需要在OC的输出端有一个运算放大器，因此也需要一个潜在的分离(隔离)电源。

光耦合器通常用于为数字数据流提供电隔离。在这些应用中，它们工作在“饱和模式”，即LED驱动足够大，使PD在打开时完全饱和，而在关闭时几乎没有电流，以产生一个干净的数字脉冲序列。然而，在这种应用中，OC在其线性范围内运行，有时称为其光伏模式，其中PD产生的信号与LED的光成比例。我们的DI采用OC的光伏模式来隔离信号发生器的模拟测试信号。图2说明了一个线性OC的简单电路，其中PDs用于光伏模式，类似于太阳能电池。

图2使用线性光耦合器的简单电路。

通过PD1和PD2的电流被负载电阻R3和P1转换成电压。只要两个电压(U_PD1和你_出)保持在PD的线性范围内(在本例中小于50mV)，它们的振幅将与LED产生的光量成正比。运算放大器U1对信号进行比较U_PD1输入信号U_在，并驱动LED使它们相等。微调器P1用于调整增益(U_出/ U_在)，电容C2防止振荡。

你的输出_出(我们的测试信号源)由第二光电二极管PD2获得，与地面隔离;内阻由R3决定。光伏模式通常不用于线性OC，因为可用输出电压范围被限制在几个mV。在这种应用中，光伏模式是首选的，因为它在OC的输出不需要任何电源，而且所需的输出信号很小。

针对特定需求的隔离变体

图2中的电路只能输出正电压U_出(因为电流通过LED和两个pd只能在一个方向流动)。这个问题可以通过给输入信号U加上一个小的正偏移量来解决_在，大多数信号发生器提供偏移调整。然而，这增加了输出信号U的直流偏置_出也如果一个人可以容忍直流偏置输出，或通过添加一个RC高通滤波器与适当的角落频率和接受修改的频率响应拒绝不需要的直流输出，那么电路从图2是足够的。

如果驱动器的输出信号需要无直流偏置和它的频率响应必须一直降到0hz，然后直流偏置应该从输出中减去。在这种情况下，可以使用第二块电池和微调电位器来解决这个问题。然而，一个更简单的解决方案，不需要第二个电池显示图3．该电路增加一个直流驱动的第二OC (U3)，其输出PD与OC U2的输出PD反并联。通过P7设置通过OC U3的直流电流，补偿OC U2的偏置电流。

图3光隔离差分驱动器的完整原理图。