2022-04-06據說我們(men) 使用的一些電信號相對於(yu) 地麵“浮動”。一個(ge) 典型的例子可能是電源中分流電阻上的壓降或複雜的生物醫學信號，例如心電圖。在這種情況下，儀(yi) 表放大器 (IA) 用於(yu) 放大信號的差模分量並抑製其共模分量。
儀(yi) 表放大器需要在設計過程中使用真實信號進行測試，並在實際使用時定期進行測試。還應通過將已知的校準測試信號應用於(yu) 其輸入來評估 IA，以確定其準確性、共模信號抑製以及它如何受到使用時可能發生的各種錯誤連接的影響。用於(yu) 醫療 IA 的測試信號源應產(chan) 生適當整形的信號U OUT，其幅度範圍為(wei) 幾毫伏，頻率範圍從(cong) 零到幾 kHz。源應該有（兩(liang) 個(ge) ）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(wei) 幾千瓦，以模擬他們(men) 將在現實生活中測量的物體(ti) 的特性。此外，兩(liang) 個(ge) 輸出都應與(yu) 地電隔離，但應提供一個(ge) 公共參考以測試 AI 抑製共模幹擾的能力。
有多種不同類型的測試信號源可供使用。每種類型，從(cong) 函數發生器開始，到專(zhuan) 門的數字合成器結束，都提供不同級別的精度和複雜性。許多能夠提供適當幅度和頻率範圍內(nei) 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(wei) 它們(men) 中的許多具有單端輸出，並且沒有充分地與(yu) 地隔離以進行共模分離測試。
這些源可以通過添加一個(ge) 驅動器電路來測試 IA，該電路將單端信號轉換為(wei) 差分信號並確保電位分離。本文介紹了這種電路的設計、構造和應用。其輸出可能與(yu) 地隔離，並提供“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。
模擬信號的實用光隔離
輸入和輸出之間的隔離是使用光耦合器 (OC) 實現的，該器件在同一封裝中包含發光二極管 (LED) 和光電二極管 (PD)。PD充當檢測器，即光電電流發生器，其中通過PD的電流與(yu) 通過LED的信號產(chan) 生的光成比例。
對於(yu) 涉及差分信號的應用，具有單個(ge) LED 驅動兩(liang) 個(ge) 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(liang) 個(ge) 通道的響應之間的任何變化（由於(yu) 製造變化）保持在最低限度。在此應用中，來自 LED 的光被引導到兩(liang) 個(ge) PD，其中一個(ge) PD 可用於(yu) 監控 LED 產(chan) 生的光量，以提供用於(yu) 驅動 LED 的線性反饋。第二個(ge) PD 用於(yu) 實際將信號跨隔離屏障傳(chuan) 輸到輸出。參考文獻 3 提供了幾個(ge) 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(ce) 使用運算放大器，因此也需要潛在的分離（隔離）電源。
光耦合器通常用於(yu) 為(wei) 數字數據流提供電氣隔離。在這些應用中，它們(men) 在“飽和模式”下運行，在這種模式下，LED 的驅動力足以使 PD 在開啟時完全飽和，而在關(guan) 閉時幾乎沒有電流，從(cong) 而產(chan) 生幹淨的數字脈衝(chong) 序列。然而，在此應用中，OC 在其線性範圍內(nei) 運行，有時稱為(wei) 光伏模式，其中 PD 產(chan) 生與(yu) 來自 LED 的光成正比的信號。我們(men) 的 DI 使用 OC 的光伏模式來隔離信號發生器的模擬測試信號。圖 2顯示了一個(ge) 具有線性 OC 的簡單電路，其中 PD 用於(yu) 光伏模式，類似於(yu) 太陽能電池。
圖 2使用線性光耦合器的簡單電路。
通過 PD1 和 PD2 的電流被負載電阻 R3 和 P1 轉換為(wei) 電壓。隻要兩(liang) 個(ge) 電壓（U PD1和 U out）都保持在 PD 的線性範圍內(nei) （在我們(men) 的例子中小於(yu) 50mV），它們(men) 的幅度將與(yu) LED 產(chan) 生的光量成正比。運算放大器 U1 將信號U PD1與(yu) 輸入信號U IN 進行比較，並驅動 LED 使其相等。微調器 P1 用於(yu) 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(men) 的測試信號源）來自第二個(ge) 光電二極管PD2，與(yu) 地隔離；其內(nei) 阻由 R3 決(jue) 定。光伏模式通常不與(yu) 線性 OC 一起使用，因為(wei) 可用的輸出電壓範圍僅(jin) 限於(yu) 幾個(ge) mV。對於(yu) 這種應用，光伏模式是首選，因為(wei) 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論如何都很小。
特殊要求的隔離變化
圖 2 中的電路隻能輸出正電壓 U OUT（因為(wei) 通過 LED 和兩(liang) 個(ge) PD 的電流隻能在一個(ge) 方向上流動）。這個(ge) 問題可以通過在輸入信號U IN 上增加一個(ge) 小的正偏移來解決(jue) ，大多數信號發生器提供偏移調整。然而，這也會(hui) 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，或者通過添加具有合適轉角頻率的 RC 高通濾波器來抑製不需要的直流輸出並接受修改後的頻率響應，那麽(me) 圖 2 中的電路就足夠了。
如果驅動器的輸出信號需要沒有直流偏置，並且其頻率響應必須一直下降到 0 Hz，則應從(cong) 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解決(jue) 問題。然而，圖 3 中顯示了一種不需要第二塊電池的更簡單的解決(jue) 方案。該電路增加了第二個(ge) 直流驅動的OC（U3），其輸出PD與(yu) OC U2的輸出PD反並聯。通過 OC U3 的直流電流通過 P7 設置以補償(chang) OC U2 的偏置電流。
圖 3光隔離差分驅動器的完整原理圖。
該設計還包含一個(ge) 低功耗運算放大器 (OPA349)，主要是因為(wei) 它的輸入共模範圍超出電源軌 200 mV，並且它隻需要很少的功率。因此，電路的總電流消耗約為(wei) 1 mA。由於(yu) 原型由兩(liang) 節 AAA 電池供電，因此它的使用壽命應該接近 1000 小時。
需要注意的是，輸入信號的最大範圍和電路的功耗在很大程度上取決(jue) 於(yu) 偏置電平。偏置通過電阻分壓器 R5/R6 固定為(wei) 20 mV，從(cong) 而將通過 OC U2 中 LED 的偏置電流設置為(wei) 大約 500 mA。應為(wei) U3 中的 OC 設置類似的 LED 電流。在原始電路的這種變體(ti) 中，由於(yu) 電阻分壓器由 R4 至 R6 組成，因此輸入信號不需要從(cong) 地偏移。
此電路的最大可接受輸入電壓 (U in ) 約為(wei) ±5 V。超出此輸出，信號會(hui) 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性OC U2 中 PD 的範圍。對於(yu) 1 V pp輸入信號，可以預期 1 mV pp輸出信號和低於(yu) -40 dB 的諧波。頻率響應從(cong) 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(wei) 在這種情況下，沒有必要校準電路的增益。
電路的調整從(cong) 向 U IN施加大約 500 Hz 和 4 V pp的正弦信號開始，並使用示波器觀察輸入和輸出 (U OUT ) 信號。注意：必須使用 10:1 探頭（至少）。然後調整微調器 P1 以在兩(liang) 條軌跡上獲得 1000:1 的幅度比。最後，應調整微調器 P7 以使 U OUT處的平均輸出信號為(wei) 零。
文章來源：電子發燒友網 文章作者：ben111
