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1 引 言 在工業測量和控制系統中，為防止外界的各種干擾，必須將測量系統和計算機系統進行電氣隔離。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，具有更強的抗干擾能力。 對于數字信號的隔離，使用一般的光耦器件隔離就能達到很好的效果。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內部結構原理如圖1所示。hcnr201由一個高性能發光二極管led和兩個相鄰匹配的光敏二極管pd1和pd2組成，這兩個光敏二極管有完全相同的性能參數。led是隔離信號的輸入端，當有電流流過時就會發光，兩個光敏二極管在有光照射時就會產生光電流，hcnr201的內部封裝結構使得pd1和pd2都能從led得到近似光照，且感應出正比于led發光強度的光電流。光敏二極管pd1起負反饋作用用于消除led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發出的光線而產生與光強成正比的輸出電流，達到輸入及輸出電路間電流隔離的作用。正是hncnr201內部的封裝結構、pd1與pd2的嚴格比例關系及pd1負反饋的作用保證了線性光耦的高穩定性和高線性度。 圖1 線性光耦hcnr201內部結構 3 線性光耦hcnr201隔離電路 3.1 工作原理 hcnr201的led、pd1及運放a1等組成隔離電路的輸入部分，pd2及運放a2等組成隔離電路的輸出部分。設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上產生的電流為ipd1，二極管pd2上產生的電流為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形成了負反饋，當有電壓vin輸入時，運放a1的輸出使led上有電流if流過，且輸入電壓的變化體現在電流if上，并驅動led發光把電信號轉變成光信號。led發出的光被pd1探測到并產生光電流ipd1。同時，輸入電壓vin也會產生電流流過r1。假定a1是理想運放，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。又因led發出的光同時照射在兩個光敏二極管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情況下ipd2應該等于ipd1。定義一個系數k，有ipd1=kipd2，k約為1±5%(當芯片制作完成后隨之確定)。運放a2和電阻r2把ipd2轉變成輸出電壓vout，有vout=ipd2r2，組合上面的3個方程得到輸出電壓和輸入電壓關系：vout/vin=kr2/r1，因此，輸出電壓vout具有穩定性和線性，其增益可通過調整r2與r1的值來實現，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的發光強度，從而對控制通道增益起一定作用。電容c1、c2為反饋電容，用于提高電路的穩定性。運算放大器a1的作用是把電壓信號轉變成電流信號，運算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號轉變為電壓信號，并增強負載驅動能力。 3.2 注意事項 (1) 要實現信號的完全隔離，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。電路中前后級運放采用了獨立的電源供電，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電路中的應用及實驗分析 4.1 實驗條件 本實驗將線性光耦hcnr201隔離電路應用于pt100測溫電路中。pt100鉑電阻是一種常用的溫度傳感器，其電阻值與環境溫度呈現接近線性的關系，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化為電壓信號，經過a/d轉換后傳輸給單片機系統處理結果來獲得測量溫度值。采用線性光耦隔離電路對pt100測溫電路進行隔離，防止外界干擾的同時，為保證溫度測量結果的準確性，還必須達到高精度的傳輸測量信號，即隔離電路前后電壓一致，才滿足實際應用的要求。實驗電路原理圖如圖3所示。 圖3 pt100測溫電路隔離原理圖 4.2 電路參數值的選取 (1) 運算放大器的選取 線性光耦hcnr201為電流驅動型器件，其led的工作電流為1ma～40ma，運放器的選取必須保證其輸出電流有足夠的驅動能力驅動led二極管。電路采用運放lmv321,其輸出電流可達40ma。 (2) 電阻參數的選取 為了保證傳輸精度，外圍元件應選擇穩定性較好的器件。電阻選用精度為1‰的金屬膜電阻。電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流ifmax。假設確定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。下面給出參數確定的過程。 ●確定if：hcnr201是電流驅動型，其led的工作電流if要求為1"40ma，芯片手冊推薦工作電流為25ma，因此，此處取if=25ma。 ●確定r3/r3=vcc1/if=5/0.025=200ω，且精度為千分之一。 ●確定r1：根據芯片手冊說明當5na ●確定r2：取r2=r1=100kω，且精度為千分之一。 ●電容的選取：根據芯片手冊推薦，取c1=c2=0.001uf 為經驗取值。 綜上所述，運放a1、a2為lmv321m5；r1=r2=100kω；r3=200ω；c1= c2=0.001μf。 4.3 實驗數據測量及分析 隔離電路應用于pt100測試電路中，隔離前端輸入經pt100電路測量后輸入的電壓值。隔離前、后電壓值由校驗儀ca71測得，并通過matlab繪出對比圖形。部分測量數據見附表，matlab繪制圖形如圖4所示。 附表 實驗數據 圖4 matlab繪制曲線圖 圖4中直線為理想結果，虛線為實際結果。 通過實驗測量數據可以發現：線性光耦隔離電路有很好的穩定性和線性，且輸入電壓為1.5v到2v之間時傳輸精度效果最佳。需要明確，采用線性光耦隔離電路進行隔離必定會導致模擬電壓的傳輸產生一定的誤差，若測量電路對電壓精度要求不高，使用線性光耦進行隔離可以達到非常好的效果，然而，對于pt100測溫電路而言，在200℃時，電壓誤差在0.1"0.2v，這樣會使得溫度測量誤差最大達到10℃左右。這樣的誤差對于pt100測溫是不允許的，在這種對傳輸精度要求很高的電路里，提高精度的行之有效的解決辦法就是通過單片機軟件處理對數據進行誤差修正。 5 軟件修正提高精度 由實驗可知，采用隔離電路進行隔離必定會使模擬電壓傳輸產生一定的誤差，但線性光耦的特性決定了其輸出具有很好的線性度，可以利用這點通過單片機軟件進行誤差的修正。 修正方法：針對隔離電路應用的場合明確隔離電壓的范圍，然后向隔離電路提供隔離電壓的兩個值，定義這兩個極值為修正值，并通過單片機讀出采集到的修正值的實測量值，通過輸入值和實測值之間的差值，就可以通過修正算法，求出任意測量值實際對應的輸入值。 圖5 坐標系示意圖 5.1 修正算法 設x軸上各點為單片機實際測得數值，直線l上各點為線性光耦前輸入值。設直線l上 a，b兩點為修正值，其對應于x軸的a1、b1為單片機實際測量值，則可計算出a點和b點的誤差分別為a=a-a1，b=b-b1，c1為單片機采集到任意值，若能求得誤差c的值，通過修正計算c1+c即為c1的理想值c。 針對pt100測溫電路的具體做法：測溫范圍為-50℃"200℃，選取兩個基準點如0℃和150℃，通過校驗儀ca71向測溫電路輸入0℃和150℃，分別測量這兩個點的測量值并計算實際測量值與理想值間的偏差。在實際測量中通過修正算法利用這兩個偏差通過公式算出其它各點的偏差值，再對實際測量值進行修正。實驗證明進行修正后溫度誤差可以精確到1"2℃以內。 5.2 注意事項 (1) 測量數據采用中值濾波法進行處理。 為了提高測量精度，采用數字濾波技術的中值濾波法對測量數據進行處理。即每次采集n個值，去除其中的最大值和最小值而取剩余的n-2個數值的平均值，這樣可防止受到突發性脈沖干擾的數據進入。 (2) 實驗中發現線性光耦隔離電路會隨著上電時間的持續出現隔離后的電壓毫伏級的減低的情況。大約30分鐘后趨于穩定。因此，將電路上電運行一段時間后再進行校準，精度更高。 6 結束語 本文分析了線性光耦hcnr201進行模擬電壓電氣隔離的基本原理和隔離電路，并給出了行之有效的軟件算法來提高測量電路精度。實驗表明隔離電路通過修正后精度非常高，非常適合應用于對模擬電壓精度要求很高的檢測系統。 |
