線性光耦HCNR201在模擬電壓測量中的應(yīng)用
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在工業(yè)測量和控制系統(tǒng)中，為防止外界的各種干擾，必須將測量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離。常用的隔離措施有變壓器隔離、電容耦合隔離和光耦隔離。與變壓器隔離、電容耦合隔離相比，光耦體積小，價(jià)格便宜，隔離電路簡單且可以完全消除前后級的相互干擾，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。
對于數(shù)字信號的隔離，使用一般的光耦器件隔離就能達(dá)到很好的效果。然而一般的光耦具有較大的非線性電流傳輸特性且受溫度變化的影響較大，對于模擬信號的傳輸其精度和線性度難以滿足系統(tǒng)要求。為了能更精確地傳送模擬信號，用線性光耦隔離是最好的選擇。線性光耦輸出信號隨輸入信號變化而成比例變化，它為模擬信號傳輸中隔離電路的簡單化、高精度化帶來了方便。
本文以avago公司的hcnr201線性光耦為例說明線性光耦的內(nèi)部原理及隔離電路的原理。
2 hcnr201線性光耦隔離原理
線性光耦hcnr201內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。hcnr201由一個(gè)高性能發(fā)光二極管led和兩個(gè)相鄰匹配的光敏二極管pd1和pd2組成，這兩個(gè)光敏二極管有完全相同的性能參數(shù)。led是隔離信號的輸入端，當(dāng)有電流流過時(shí)就會發(fā)光，兩個(gè)光敏二極管在有光照射時(shí)就會產(chǎn)生光電流，hcnr201的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)使得pd1和pd2都能從led得到近似光照，且感應(yīng)出正比于led發(fā)光強(qiáng)度的光電流。光敏二極管pd1起負(fù)反饋?zhàn)饔糜糜谙齦ed的非線性和偏差特性帶來的誤差，改善輸入與輸出電路間的線性和溫度特性，穩(wěn)定電路性能。光敏二極管pd2是線性光耦的輸出端，接收由led發(fā)出的光線而產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的輸出電流，達(dá)到輸入及輸出電路間電流隔離的作用。正是hncnr201內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)、pd1與pd2的嚴(yán)格比例關(guān)系及pd1負(fù)反饋的作用保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。
圖1 線性光耦hcnr201內(nèi)部結(jié)構(gòu)
3 線性光耦hcnr201隔離電路
3.1 工作原理
hcnr201的led、pd1及運(yùn)放a1等組成隔離電路的輸入部分，pd2及運(yùn)放a2等組成隔離電路的輸出部分。設(shè)隔離電路輸入電壓為vin，輸出電壓為vout，led上電流為if，二極管pd1上產(chǎn)生的電流為ipd1，二極管pd2上產(chǎn)生的電流為ipd2，如圖2所示。
圖2 線性光耦hcnr201模擬電壓隔離電路
隔離電路中pd1形成了負(fù)反饋，當(dāng)有電壓vin輸入時(shí)，運(yùn)放a1的輸出使led上有電流if流過，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流if上，并驅(qū)動led發(fā)光把電信號轉(zhuǎn)變成光信號。led發(fā)出的光被pd1探測到并產(chǎn)生光電流ipd1。同時(shí)，輸入電壓vin也會產(chǎn)生電流流過r1。假定a1是理想運(yùn)放，則沒有電流流入a1的輸入端，流過r1的電流將會流過pd1到地，因此，ipd1=vin/r1。注意，ipd1只取決于輸入電壓vin和r1的值，與led的光輸出特性無關(guān)。又因led發(fā)出的光同時(shí)照射在兩個(gè)光敏二極管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情況下ipd2應(yīng)該等于ipd1。定義一個(gè)系數(shù)k，有ipd1=kipd2，k約為1±5%(當(dāng)芯片制作完成后隨之確定)。運(yùn)放a2和電阻r2把ipd2轉(zhuǎn)變成輸出電壓vout，有vout=ipd2r2，組合上面的3個(gè)方程得到輸出電壓和輸入電壓關(guān)系：vout/vin=kr2/r1，因此，輸出電壓vout具有穩(wěn)定性和線性，其增益可通過調(diào)整r2與r1的值來實(shí)現(xiàn)，通常取r1和r2的值相同。
隔離電路中電阻r1起限流作用。r3用于控制led的發(fā)光強(qiáng)度，從而對控制通道增益起一定作用。電容c1、c2為反饋電容，用于提高電路的穩(wěn)定性。運(yùn)算放大器a1的作用是把電壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號，運(yùn)算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并增?qiáng)負(fù)載驅(qū)動能力。
3.2 注意事項(xiàng)
(1) 要實(shí)現(xiàn)信號的完全隔離，不僅信號本身要隔離，供給隔離前后電路工作的電源也需要隔離。電路中前后級運(yùn)放采用了獨(dú)立的電源供電，起到隔離干擾的作用。
(2) 由于線性光耦引入反饋機(jī)制，所以隔離電路不適用于被測信號變化太快或頻率很高的場合。
4 隔離電路在pt100電路中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)分析
4.1 實(shí)驗(yàn)條件
本實(shí)驗(yàn)將線性光耦hcnr201隔離電路應(yīng)用于pt100測溫電路中。pt100鉑電阻是一種常用的溫度傳感器，其電阻值與環(huán)境溫度呈現(xiàn)接近線性的關(guān)系，只要測出pt100的阻值即可換算出被測溫度值。pt100測溫電路將pt100鉑電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)處理結(jié)果來獲得測量溫度值。采用線性光耦隔離電路對pt100測溫電路進(jìn)行隔離，防止外界干擾的同時(shí)，為保證溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還必須達(dá)到高精度的傳輸測量信號，即隔離電路前后電壓一致，才滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖3所示。
圖3 pt100測溫電路隔離原理圖
4.2 電路參數(shù)值的選取
(1) 運(yùn)算放大器的選取
線性光耦hcnr201為電流驅(qū)動型器件，其led的工作電流為1ma～40ma，運(yùn)放器的選取必須保證其輸出電流有足夠的驅(qū)動能力驅(qū)動led二極管。電路采用運(yùn)放lmv321,其輸出電流可達(dá)40ma。
(2) 電阻參數(shù)的選取
為了保證傳輸精度，外圍元件應(yīng)選擇穩(wěn)定性較好的器件。電阻選用精度為1‰的金屬膜電阻。電阻的選型需要考慮運(yùn)放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流ifmax。假設(shè)確定vcc1=5v，pt100測溫電路的輸入電壓在0"5v之間，隔離電路輸出電壓等于輸入電壓。下面給出參數(shù)確定的過程。
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