【導讀】據說(shuō)我們使用的一些電信號相對于地面“浮動(dòng)”。一個(gè)典型的例子可能是電源中分流電阻上的壓降或復雜的生物醫學(xué)信號,例如心電圖。在這種情況下,儀表放大器 (IA) 用于放大信號的差模分量并抑制其共模分量。
據說(shuō)我們使用的一些電信號相對于地面“浮動(dòng)”。一個(gè)典型的例子可能是電源中分流電阻上的壓降或復雜的生物醫學(xué)信號,例如心電圖。在這種情況下,儀表放大器 (IA) 用于放大信號的差模分量并抑制其共模分量。
儀表放大器需要在設計過(guò)程中使用真實(shí)信號進(jìn)行測試,并在實(shí)際使用時(shí)定期進(jìn)行測試。還應通過(guò)將已知的校準測試信號應用于其輸入來(lái)評估 IA,以確定其準確性、共模信號抑制以及它如何受到使用時(shí)可能發(fā)生的各種錯誤連接的影響。用于醫療 IA 的測試信號源應產(chǎn)生適當整形的信號U OUT,其幅度范圍為幾毫伏,頻率范圍從零到幾 kHz。源應該有(兩個(gè))差分輸出,可以連接到 IA 的相應輸入,如圖 1 所示。
圖 1差分信號源
輸出電阻 RG1 和 RG2 應至少為幾千瓦,以模擬他們將在現實(shí)生活中測量的物體的特性。此外,兩個(gè)輸出都應與地電隔離,但應提供一個(gè)公共參考以測試 AI 抑制共模干擾的能力。
有多種不同類(lèi)型的測試信號源可供使用。每種類(lèi)型,從函數發(fā)生器開(kāi)始,到專(zhuān)門(mén)的數字合成器結束,都提供不同級別的精度和復雜性。許多能夠提供適當幅度和頻率范圍內的信號,有些甚至可以模擬 ECG、EEG 和其他醫療信號。然而,使用這些源可能具有挑戰性,因為它們中的許多具有單端輸出,并且沒(méi)有充分地與地隔離以進(jìn)行共模分離測試。
這些源可以通過(guò)添加一個(gè)驅動(dòng)器電路來(lái)測試 IA,該電路將單端信號轉換為差分信號并確保電位分離。本文介紹了這種電路的設計、構造和應用。其輸出可能與地隔離,并提供“公共”信號。此外,可以調整仿真信號的阻抗以匹配單端信號源的阻抗。
模擬信號的實(shí)用光隔離
輸入和輸出之間的隔離是使用光耦合器 (OC) 實(shí)現的,該器件在同一封裝中包含發(fā)光二極管 (LED) 和光電二極管 (PD)。PD充當檢測器,即光電電流發(fā)生器,其中通過(guò)PD的電流與通過(guò)LED的信號產(chǎn)生的光成比例。
對于涉及差分信號的應用,具有單個(gè) LED 驅動(dòng)兩個(gè) PD 的雙通道 OC,例如 Vishay 的 IL300。雙通道設備通常是首選,以確保兩個(gè)通道的響應之間的任何變化(由于制造變化)保持在最低限度。在此應用中,來(lái)自 LED 的光被引導到兩個(gè) PD,其中一個(gè) PD 可用于監控 LED 產(chǎn)生的光量,以提供用于驅動(dòng) LED 的線(xiàn)性反饋。第二個(gè) PD 用于實(shí)際將信號跨隔離屏障傳輸到輸出。參考文獻 3 提供了幾個(gè)包含 OC 的電路示例。但是,所有這些示例都需要在 OC 的輸出側使用運算放大器,因此也需要潛在的分離(隔離)電源。
光耦合器通常用于為數字數據流提供電氣隔離。在這些應用中,它們在“飽和模式”下運行,在這種模式下,LED 的驅動(dòng)力足以使 PD 在開(kāi)啟時(shí)完全飽和,而在關(guān)閉時(shí)幾乎沒(méi)有電流,從而產(chǎn)生干凈的數字脈沖序列。然而,在此應用中,OC 在其線(xiàn)性范圍內運行,有時(shí)稱(chēng)為光伏模式,其中 PD 產(chǎn)生與來(lái)自 LED 的光成正比的信號。我們的 DI 使用 OC 的光伏模式來(lái)隔離信號發(fā)生器的模擬測試信號。圖 2顯示了一個(gè)具有線(xiàn)性 OC 的簡(jiǎn)單電路,其中 PD 用于光伏模式,類(lèi)似于太陽(yáng)能電池。
圖 2使用線(xiàn)性光耦合器的簡(jiǎn)單電路。
通過(guò) PD1 和 PD2 的電流被負載電阻 R3 和 P1 轉換為電壓。只要兩個(gè)電壓(U PD1和 U out)都保持在 PD 的線(xiàn)性范圍內(在我們的例子中小于 50mV),它們的幅度將與 LED 產(chǎn)生的光量成正比。運算放大器 U1 將信號U PD1與輸入信號U IN 進(jìn)行比較,并驅動(dòng) LED 使其相等。微調器 P1 用于調節電路的增益(U OUT / U IN),電容器 C2 防止振蕩。
輸出U OUT(我們的測試信號源)來(lái)自第二個(gè)光電二極管PD2,與地隔離;其內阻由 R3 決定。光伏模式通常不與線(xiàn)性 OC 一起使用,因為可用的輸出電壓范圍僅限于幾個(gè) mV。對于這種應用,光伏模式是首選,因為它不需要在 OC 的輸出端提供任何電源,而且所需的輸出信號無(wú)論如何都很小。
特殊要求的隔離變化
圖 2 中的電路只能輸出正電壓 U OUT(因為通過(guò) LED 和兩個(gè) PD 的電流只能在一個(gè)方向上流動(dòng))。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在輸入信號U IN 上增加一個(gè)小的正偏移來(lái)解決,大多數信號發(fā)生器提供偏移調整。然而,這也會(huì )向輸出信號 U OUT添加直流偏置。如果可以容忍直流偏置輸出,或者通過(guò)添加具有合適轉角頻率的 RC 高通濾波器來(lái)抑制不需要的直流輸出并接受修改后的頻率響應,那么圖 2 中的電路就足夠了。
如果驅動(dòng)器的輸出信號需要沒(méi)有直流偏置,并且其頻率響應必須一直下降到 0 Hz,則應從輸出中減去直流偏置。在這種情況下,可以使用第二塊電池和微調電位器來(lái)解決問(wèn)題。然而,圖 3 中顯示了一種不需要第二塊電池的更簡(jiǎn)單的解決方案。該電路增加了第二個(gè)直流驅動(dòng)的OC(U3),其輸出PD與OC U2的輸出PD反并聯(lián)。通過(guò) OC U3 的直流電流通過(guò) P7 設置以補償 OC U2 的偏置電流。
圖 3光隔離差分驅動(dòng)器的完整原理圖。
該設計還包含一個(gè)低功耗運算放大器 (OPA349),主要是因為它的輸入共模范圍超出電源軌 200 mV,并且它只需要很少的功率。因此,電路的總電流消耗約為 1 mA。由于原型由兩節 AAA 電池供電,因此它的使用壽命應該接近 1000 小時(shí)。
需要注意的是,輸入信號的最大范圍和電路的功耗在很大程度上取決于偏置電平。偏置通過(guò)電阻分壓器 R5/R6 固定為 20 mV,從而將通過(guò) OC U2 中 LED 的偏置電流設置為大約 500 mA。應為 U3 中的 OC 設置類(lèi)似的 LED 電流。在原始電路的這種變體中,由于電阻分壓器由 R4 至 R6 組成,因此輸入信號不需要從地偏移。
此電路的最大可接受輸入電壓 (U in ) 約為 ±5 V。超出此輸出,信號會(huì )失真,部分原因是 20 mV 的低偏置,部分原因是光伏模式邊緣的非線(xiàn)性OC U2 中 PD 的范圍。對于 1 V pp輸入信號,可以預期 1 mV pp輸出信號和低于 -40 dB 的諧波。頻率響應從 0 Hz 擴展到大約 10 kHz (-3dB)。
設置和調整
組裝好的電路如下圖4所示。
圖 4完成的電路。請注意,微調器 P1 被省略,因為在這種情況下,沒(méi)有必要校準電路的增益。
電路的調整從向 U IN施加大約 500 Hz 和 4 V pp的正弦信號開(kāi)始,并使用示波器觀(guān)察輸入和輸出 (U OUT ) 信號。注意:必須使用 10:1 探頭(至少)。然后調整微調器 P1 以在兩條軌跡上獲得 1000:1 的幅度比。最后,應調整微調器 P7 以使 U OUT處的平均輸出信號為零。
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