基于高線性光耦HCNR201的電壓電流測量電路設(shè)計

模擬信號量值采集的精確度和穩(wěn)定度決定了整個項目的運行可靠程度，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用于防止運放A2、A3自激現(xiàn)象，使運放電路穩(wěn)定地工作。運放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)