高線性光耦HCNR201設(shè)計(jì)的電壓電流測量電路技術(shù)

模擬信號量值采集的精確度和穩(wěn)定度決定了整個項(xiàng)目的運(yùn)行可靠程度，然而，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾嚴(yán)重，為了對模擬信號的線性轉(zhuǎn)換而不把現(xiàn)場的各種噪聲干擾引入到控制系統(tǒng)，必須將被測模擬信號與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行良好的線性隔離。一般情況下，直流隔離措施可采用專用隔離運(yùn)算放大器（ISO124系列）加配一個高精度隔離直流電源，通過電氣耦合的方式來實(shí)現(xiàn)被測模擬信號與控制系統(tǒng)的線性隔離，但這種方法成本較高而且溫漂較大。本文采用線性光耦HCNR201實(shí)現(xiàn)了被測模擬信號與控制系統(tǒng)之間的線性隔離。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有太大差別，只是將改變了普通光耦的單發(fā)單收模式，增加一個用于反饋的光電二極管并且增大了線性區(qū)域。兩個光電二極管都是非線性的，但其非線性特性都是一樣的，所以可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而實(shí)現(xiàn)了信號的線性傳遞。

HCNR201的工作原理
HCNR201是Avago公司推出的高線性光耦器件，通過外接不同的分立器件，可以實(shí)現(xiàn)交直流電流和電壓的光電隔離轉(zhuǎn)換電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。HCNR201由高性能的AlGaAs型發(fā)光二極管及兩個具有嚴(yán)格比例關(guān)系的光電二極管PD1和PD2構(gòu)成。當(dāng)發(fā)光二極管中流過電流IF時，其所發(fā)出的光會在光電二極管中PD1、PD2感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2滿足以下關(guān)系：
(1)
(2)
(3)

式中K1、K2分別為發(fā)光二極管PD1、PD2的電流傳輸比，其典型值為0.48，范圍為0.36～0.72；K3為該光耦的傳輸增益，其典型值為1，范圍為0.95～1.05。

圖1 HCNR201內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

光電二極管PD1接入輸入回路，用于檢測和穩(wěn)定AlGaAs型發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，有效地消除了發(fā)光二極管的非線性、漂移等特性，而光電二極管PD2作為輸出電路的一部分，能產(chǎn)生與發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度成線性關(guān)系的光電流，實(shí)現(xiàn)測量電路與輸出電路之間的線性傳遞。特性極其相似的光電二極管及先進(jìn)的封裝工藝保證了該光耦的高線性度、傳輸增益穩(wěn)定等特性。

電壓、電流測量電路的工作原理
圖2給出了測量電壓、電流的電路原理圖，本電路實(shí)現(xiàn)了被測信號與系統(tǒng)的隔離及線性測量的雙重功能，它既可測量直流電壓信號、也可測量直流電流信號：當(dāng)跳針JP跳到1和2時，該電路進(jìn)行直流電壓測量；當(dāng)跳針跳到1和2時，該電路將輸入直流電流Iin轉(zhuǎn)換成直流電壓進(jìn)行測量。穩(wěn)壓管D1可防止過電壓對電路的沖擊，起到保護(hù)測量電路的作用。電壓跟隨器A1具有輸入高阻抗、輸出低阻抗的特性，能夠有效地減小采樣電路的負(fù)載對輸入信號的影響，使得后一級的電路更穩(wěn)定地工作。電容C1、C2用于防止運(yùn)放A2、A3自激現(xiàn)象，使運(yùn)放電路穩(wěn)定地工作。運(yùn)放A2、發(fā)光二極管LED、光電二極管PD1與阻容元件一起構(gòu)成輸入電路，光電二極管PD1為運(yùn)放A2引入負(fù)反饋，若發(fā)光二極管LED發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化，運(yùn)放A2就會調(diào)整IF的大小以調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，從而使得穩(wěn)定流過光電二極管PD1、PD2的電流。運(yùn)放A3、光電二極管PD2與阻容元件一起構(gòu)成輸出電路，將流過光電二極管PD2的光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖2 電壓、電流測量電路

1 電壓測量原理分析
被測信號是電壓信號Vin時，將跳針跳到1、2。根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷”、“虛短”特性，有：
(4)
(5)
結(jié)合式（1）、（2）、（3）可得：
(6)
故： (7)

2 電流測量原理分析
被測信號是電流信號Iin時，將跳針跳到2、3，采樣電阻R1將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，以供后續(xù)的電路測量。此時，電壓測量電路的輸入電壓為
(8)
故： (9)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為提高測量精度，運(yùn)算放大器A1、A2、A3采用ADI公司的高精度運(yùn)放AD8672，采用±12V電源供電，需要注意的是運(yùn)放A1、A2與運(yùn)放A3的電源和地要做好隔離，以防止外界干擾信號通過電源和地竄入到系統(tǒng)中。通過Pspice仿真和多次的實(shí)驗(yàn)，最終電阻R2、R3、R4選取為200kΩ、1kΩ、200kΩ,電容C1、C2選取為4700pF，穩(wěn)壓管選取為UDZ10。根據(jù)公式（7）可知：Uout=K3Uin。

對范圍為0～10V的直流電壓信號進(jìn)行測量，針對不同的輸入電壓，對輸出電壓進(jìn)行測量，取得20組數(shù)據(jù)，如表1所示。運(yùn)用Excel“圖表工具”中“XY散點(diǎn)圖”進(jìn)行分析，得到擬合直線方程為y=0.9981x+0.001，如圖3所示。利用該擬合直線可計(jì)算出電壓測量電路的線性度為0.75%。

圖3 電壓測量時輸入輸出的關(guān)系

圖4 測量電流時輸入輸出的關(guān)系

對范圍0～30mA直流電流進(jìn)行測量，針對不同的輸入電流，對輸出電壓進(jìn)行測量，取得6組數(shù)據(jù)，如表1所示。同樣利用Excel的工具繪制出輸入電流與輸出電壓的關(guān)系圖，如圖4所示，并得到擬合直線方程為y=x-0，利用該擬合方程計(jì)算出電流測量電路的線性度為0.85%。