Некоторые электрические сигналы, с которыми нам приходится иметь дело, «плавают» относительно земли. Типичными примерами могут быть падение напряжения на токоизмерительном резисторе в источнике питания или сложный биомедицинский сигнал, такой как ЭКГ. В таких случаях для усиления дифференциальной составляющей сигнала и подавления его синфазных компонентов используется инструментальный усилитель (ИУ).
Инструментальный усилитель необходимо тестировать с использованием реальных сигналов, как во время проектирования, так и периодически в течение практической эксплуатации. ИУ также следует проверять путем подачи на его входы известного калиброванного тестового сигнала, чтобы определить его точность, подавление синфазного сигнала и то, как на него влияют различные ошибки подключения, которые могут возникнуть при использовании усилителя. Источник тестового сигнала для медицинского ИУ должен выдавать сигнал UOUT подходящей формы с диапазоном амплитуд в несколько милливольт и диапазоном частот от нуля до нескольких килогерц. Этот источник должен иметь два дифференциальных выхода, которые могут быть подключены к соответствующим входам ИУ, как показано на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Источник дифференциального сигнала. |
Выходные сопротивления RG1 и RG2 должны составлять, как минимум, несколько кОм, чтобы моделировать характеристики тел, которые будут измеряться в реальной жизни. Кроме того, оба выхода должны быть электрически изолированы от земли, но должен быть доступен общий опорный уровень для проверки способности ИУ подавлять синфазные помехи.
Для тестирования доступно несколько различных типов источников сигналов. Все они, начиная с генераторов функций и заканчивая специализированными цифровыми синтезаторами, различаются уровнями точности и сложности. Многие из них способны формировать сигналы в подходящем диапазоне амплитуд и частот, а некоторые даже могут имитировать ЭКГ, ЭЭГ и другие медицинские сигналы. Однако использование этих источников может быть проблематичным, поскольку часто они имеют несимметричные выходы и недостаточно изолированы от земли для проведения испытаний на разделение синфазных сигналов.
Эти источники могут быть адаптированы для тестирования ИУ путем добавлением схемы драйвера, преобразующей несимметричный сигнал в дифференциальный и обеспечивающей развязку потенциалов. В этой статье описываются проектирование, конструкция и применение такой схемы. Ее выходы гальванически изолированы от земли и поддерживают имитацию «синфазной» составляющей сигнала. Кроме того, выходное сопротивление источника эмулируемого сигнала можно отрегулировать в соответствии с импедансом несимметричного источника.
Практическая реализация оптической развязки аналоговых сигналов
Изоляция между входом и выходом осуществляется с помощью оптрона – устройства, которое содержит светодиод (LED) и (PD) в одном корпусе. Фотодиод действует как детектор, то есть фотоэлектрический генератор тока, где ток через фотодиод пропорционален количеству света, генерируемого сигналом, проходящим через светодиод.
Для приложений, использующих дифференциальные сигналы, хорошо подходят двухканальные оптроны, в которых один светодиод управляет двумя фотодиодами, такие, например, как выпускаемые Vishay приборы IL300. Двухканальные устройства обычно предпочтительнее, чтобы гарантировать, что любые различия между откликами двух каналов, обусловленные производственным разбросом, будут минимальными. В этом приложении свет от светодиода попадает на оба фотодиода, один из которых может использоваться для контроля количества света, испускаемого светодиодом, чтобы обеспечить линейную обратную связь для управления светодиодом. Второй фотодиод используется для фактической передачи сигнала через изолирующий барьер на выход. Несколько полезных примеров использования оптронов в различных схемах можно найти в [1]. Однако во всех этих примерах на выходной стороне оптоизолятора включается операционный усилитель, потенциально требующий отдельного (изолированного) источника питания.
Оптроны обычно используются для гальванической развязки потоков цифровых данных. В таких приложениях для получения чистой цифровой последовательности импульсов они работают в «режиме насыщения», когда через включенный светодиод проходит достаточно сильный ток, чтобы полностью насытить фотодиоды, и практически отсутствует ток, когда он выключен. Однако в данном приложении оптрон работает в линейной области, что иногда называется фотогальваническим режимом, где фотодиод выдает сигнал, пропорциональный количеству света, получаемого от светодиода. В нашей схеме для изоляции аналоговых тестовых сигналов генератора оптрон используется в фотогальваническом режиме. На Рисунке 2 показана простая схема с линейным оптроном, фотодиоды которого работают в фотогальваническом режиме, подобно солнечным элементам.
Токи обоих светодиодов PD1 и PD2 преобразуются в напряжения нагрузочными резисторами R3 и P1. До тех пор, пока оба напряжения (UPD1 и UOUT) остаются в линейном диапазоне характеристик фотодиодов (в нашем случае – менее 50 мВ), их амплитуда будет пропорциональна количеству света, излучаемого светодиодом. Операционный усилитель U1 сравнивает сигнал UPD1 с входным сигналом UIN и, управляя светодиодом, стремится сделать их равными. Подстроечный резистор P1 используется для регулировки коэффициента усиления (UOUT/UIN) схемы, а конденсатор C2 необходим для подавления генерации.
Выходной сигнал UOUT (наш источник тестового сигнала) берется со второго фотодиода PD2. Он изолирован от земли, а его внутреннее сопротивление определяется резистором R3. Фотогальванический режим обычно не используется с линейными оптронами, поскольку доступный диапазон выходных напряжений ограничен несколькими милливольтами. Но в данном приложении фотогальванический режим оправдан и предпочтителен, поскольку он не требует какого-либо источника питания на выходе оптрона, а нужный выходной сигнал в любом случае невелик.
Варианты изоляции для специальных требований
Выходные напряжения схемы на Рисунке 2 могут быть лишь положительными, поскольку ток через светодиод и оба фотодиода может течь только в одном направлении. Проблема может быть решена путем добавления к входному сигналу UIN небольшого положительного смещения, что позволяют сделать большинство стандартных генераторов сигналов. Однако это также добавляет постоянное смещение и к выходному сигналу UOUT. Если постоянное смещение уровня выходного сигнала допустимо, или если нежелательное постоянное смещение выходного сигнала можно устранить, добавив RC-фильтр верхних частот с подходящей частотой среза (при условии, что такая измененная частотная характеристика приемлема), то схема на Рисунке 2 подходит для решения поставленной задачи.
 |
|
| Рисунок 2. | Простая схема, в которой используется линейный оптрон. |
Если в выходном сигнале драйвера не должно быть постоянного смещения, а его частотная характеристика должна начинаться от 0 Гц, то постоянное смещение следует вычесть из выходного сигнала. В этом случае для решения проблемы можно использовать вторую батарею и подстроечный резистор. Однако более простое решение, не требующее второго источника питания, показано на Рисунке 3. В этой схеме добавлен второй оптрон (U3), управляемый постоянным током, а его выходной фотодиод включен встречно-параллельно с выходным фотодиодом оптрона U2. Постоянный ток через оптрон U3 устанавливается подстроечным резистором P7 для компенсации тока смещения оптрона U2.
 |
|
| Рисунок 3. | Полная принципиальная схема оптически изолированного дифференциального драйвера. |
В конструкции также использован маломощный операционный усилитель OPA349, главным образом потому, что диапазон его синфазных входных напряжений может на 200 мВ выходить за пределы шин питания, и ему требуется очень мало энергии. В результате общий ток, потребляемый схемой, составляет порядка 1 мА. Поскольку прототип питается от двух батареек типоразмера ААА, его срок службы должен быть близок к 1000 часов.
Важно отметить, что максимальный диапазон входных сигналов и потребляемая мощность схемы сильно зависят от величины смещения. Напряжение смещения фиксируется резистивным делителем R5/R6 на уровне 20 мВ, что устанавливает ток светодиода оптрона U2 равным примерно 500 мкА. Такой же ток нужно установить для светодиода оптрона U3. Благодаря наличию делителя, состоящего из резисторов R4 и R6, в этом варианте исходной схемы входной сигнал не нужно смещать относительно уровня земли.
Максимально допустимое входное напряжение UIN для этой схемы составляет около ±5 В. За этими пределами выходной сигнал искажается, частично из-за небольшого смещения в 20 мВ и частично из-за нелинейностей на границах фотогальванического режима фотодиодов оптрона U2. При входном сигнале 1 В пик-пик ожидаются выходной сигнал 1 мВ пик-пик и гармоники ниже –40 дБ. Частотная характеристика простирается от 0 Гц до примерно 10 кГц (по уровню –3 дБ).
Настройка схемы
Собранная схема показана на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема в сборе. Обратите внимание, что подстроечный резистор P1 отсутствует, поскольку в этом случае нет необходимости в калибровке усиления схемы. |
Настройка схемы начинается с подачи на вход UIN синусоидального сигнала частотой порядка 500 Гц и размахом 4 В пик-пик и наблюдения входного и выходного (UOUT) сигналов на осциллографе. Примечание: использование делителей 10:1 (как минимум) обязательно. Затем подстроечным резистором P1 устанавливают соотношение амплитуд обоих лучей, равное 1000:1. И, наконец, регулировкой подстроечного резистора P7 средний уровень сигнала на выходе UOUT делают равным нулю.
Купить OPA349 на РадиоЛоцман.Цены
