摘要：光電隔離是數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)抗干擾的一項重要措施，由于光電耦合器件的非線性，對模擬量的光電隔離會帶來較大信號失真。為了提高光電隔離電路的線性度，采用負反饋方法把光耦器件的輸出電流反饋輸入端。進行光電隔離電路的靜態(tài)特性試驗。試驗結(jié)果表明：當(dāng)輸入信號在0～5 V時，光電隔離電路的輸出失真最大為27 mV，線性度為0．014％。
關(guān)鍵詞：光電隔離；模擬信號；線性度；負反饋；靜態(tài)特性
在工業(yè)現(xiàn)場模擬信號的采集過程中，抗干擾是首先要解決的問題。如果不經(jīng)隔離，各種電磁干擾信號就會和被測信號一起進入測量系統(tǒng)。干擾信號疊加在被測信號上，一方面降低了測量的準確度；另一方面，尖峰電磁脈沖將會給后級電路系統(tǒng)帶來嚴重的破壞。所以，模擬信號必須和后級的采集電路在電氣上完全隔離。光電耦合器件利用光電轉(zhuǎn)換，使用光信號進行信號傳輸，抗干擾能力強，性能良好，被非常廣泛的應(yīng)用在數(shù)傳和采集系統(tǒng)信號隔離中。但是光電耦合器件由于發(fā)光二級管和光敏三極管的伏安特性，非線性失真非常嚴重，一般僅僅應(yīng)用在數(shù)字信號的隔離中，對于模擬信號，不能直接使用光電耦合器件來進行隔離。對于數(shù)字光耦，可以使用反饋改善其輸入輸出的線性度，從而使用數(shù)字光耦得到模擬光電隔離電路。在此使用數(shù)字光耦TLP521-2和集成運放LM2904設(shè)計了深度負反饋電路，大大提高了光耦的線性度。試驗表明：使用用數(shù)字光耦，經(jīng)過負反饋電路設(shè)計，可以實現(xiàn)高精度的信號隔離。
1 數(shù)字光耦TLP521-2
TLP521-2是東芝公司的數(shù)字光耦器件，該芯片內(nèi)部封裝了兩路獨立的光耦，每一路光耦由一個發(fā)光二級管和一個光敏三極管組成。耦合原理：當(dāng)給發(fā)光二級管加正向電壓時，二極管導(dǎo)通發(fā)光，光線照射在光敏三極管的感光面上；如果同時給三極管的CE級加正向電壓，則三極管的CE級產(chǎn)生集電極電流輸出。TLP521-2內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管較排列如圖1所示。
由于二極管和三極管的伏安特性，光敏三極管集電極電流Ic和發(fā)光二極管正向電壓Vf不是線性的，曲線圖如圖2所示。
2 深度負反饋電路設(shè)計
使用深度負反饋可以改善系統(tǒng)的線性度，根據(jù)這個原理，在此設(shè)計了模擬信號的光電隔離電路。在該電路中使用了1片LP521-2光耦和2片LM2904集成運放。LP521-2有兩路光耦，其中一路用于信號轉(zhuǎn)換，一路用于負反饋；運放2904-1A用于用于組成負反饋電路，運放2904-2A構(gòu)成了電壓跟隨器，用于增加電路帶負載能力。模擬信號光電隔離電路如圖3所示。
電路輸出電壓和輸入電壓是線性關(guān)系：LP521-2的兩路光耦通道的發(fā)光二極管串聯(lián)，通過2個二極管的電流If1=If2。因為兩路光耦封裝在1個器件中，光電特性基本一致，理想情況下可以認為兩路光耦的集電極輸出電流相等，即Ice1=Ice2。
根據(jù)理想運放的性質(zhì)，可以得到下面的公式：
所以Vo=(R2／R1)Vi，輸出電壓和輸入電壓成正比，比例系數(shù)由R1和R2確定。
3 電路具有輸出保護功能
輸出電壓Vo=Vcc-Vce，其中，Vce為光敏三極管c，e極的壓降，所以，當(dāng)輸入電壓很大時，輸出電壓Vo的值也不會超過Vcc。這樣就保護了后續(xù)電路，不受沖擊電壓的影響。增大Vcc可以增大隔離電路的量程。
4 電路靜態(tài)特性
使用可調(diào)穩(wěn)壓電源產(chǎn)生各種一系列不同電壓加光電隔離電路輸入端，并使用高精度數(shù)字萬用表測量電路的輸入／輸出值，得到電路輸入輸出特性。表1列出了輸入輸出的典型值。(R1=R2=1 kΩ，Vcc=12 V)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到電路的輸入輸出曲線，如圖4所示。
使用線性擬合，得到電路的理想特性曲線為：y=1．005 3x+0．003，線性度為0．014％。
5 結(jié) 語
光電隔離是模擬信號采集的一項關(guān)鍵措施，在此設(shè)計了線性光電隔離電路，該電路能實現(xiàn)模擬信號的隔離。當(dāng)輸入電壓在在0～5 V范圍內(nèi)時，輸出誤差最大為27 mV，線性度達到0．014％。
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