高線性光耦HCNR201設計的電壓電流測量電路技術

模擬信號量值采集的精確度和穩定度決定了整個項目的運行可靠程度，然而，現場環境惡劣，干擾嚴重，為了對模擬信號的線性轉換而不把現場的各種噪聲干擾引入到控制系統，必須將被測模擬信號與控制系統之間進行良好的線性隔離。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被測模擬信號與控制系統的線性隔離，但這種方法成本較高而且溫漂較大。本文采用線性光耦HCNR201實現了被測模擬信號與控制系統之間的線性隔離。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，可以實現交直流電流和電壓的光電隔離轉換電路，其內部結構如圖1所示。HCNR201由高性能的AlGaAs型發光二極管及兩個具有嚴格比例關系的光電二極管PD1和PD2構成。當發光二極管中流過電流IF時，其所發出的光會在光電二極管中PD1、PD2感應出正比于LED發光強度的光電流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2滿足以下關系：
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式中K1、K2分別為發光二極管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內部結構圖

光電二極管PD1接入輸入回路，用于檢測和穩定AlGaAs型發光二極管的發光強度，有效地消除了發光二極管的非線性、漂移等特性，而光電二極管PD2作為輸出電路的一部分，能產生與發光二極管發光強度成線性關系的光電流，實現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的封裝工藝保證了該光耦的高線性度、傳輸增益穩定等特性。

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，本電路實現了被測信號與系統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：當跳針JP跳到1和2時，該電路進行直流電壓測量；當跳針跳到1和2時，該電路將輸入直流電流Iin轉換成直流電壓進行測量。穩壓管D1可防止過電壓對電路的沖擊，起到保護測量電路的作用。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載對輸入信號的影響，使得后一級的電路更穩定地工作。電容C1、C2用于防止運放A2、A3自激現象，使運放電路穩定地工作。運放A2、發光二極管LED、光電二極管PD1與阻容元件一起構成輸入電路，光電二極管PD1為運放A2引入負反饋，若發光二極管LED發光強度發生變化，運放A2就會調整IF的大小以調節發光二極管的發光強度，從而使得穩定流過光電二極管PD1、PD2的電流。運放A3、光電二極管PD2與阻容元件一起構成輸出電路，將流過光電二極管PD2的光電流信號轉換為電壓信號。

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。根據運算放大器“虛斷”、“虛短”特性，有：
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?????????????? (5)
結合式（1）、（2）、（3）可得：
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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將電流信號轉化為電壓信號，以供后續的電路測量。此時，電壓測量電路的輸入電壓為
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故：?????????? (9)

實驗結果與分析
為提高測量精度，運算放大器A1、A2、A3采用ADI公司的高精度運放AD8672，采用±12V電源供電，需要注意的是運放A1、A2與運放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中。通過Pspice仿真和多次的實驗，最終電阻R2、R3、R4選取為200kΩ、1kΩ、200kΩ,電容C1、C2選取為4700pF，穩壓管選取為UDZ10。根據公式（7）可知：Uout=K3Uin。

對范圍為0～10V的直流電壓信號進行測量，針對不同的輸入電壓，對輸出電壓進行測量，取得20組數據，如表1所示。運用Excel“圖表工具”中“XY散點圖”進行分析，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系

圖4 測量電流時輸入輸出的關系

對范圍0～30mA直流電流進行測量，針對不同的輸入電流，對輸出電壓進行測量，取得6組數據，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，利用該擬合方程計算出電流測量電路的線性度為0.85%。