浅谈高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路

　　模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号. 或在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号.主要是与离散的数字信号相对的连续的信号.模拟信号分布于自然界的各个角落,如每天温度的变化,而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号.电学上的模拟信号是主要是指幅度和相位都连续的电信号,此信号可以被模拟电路进行各种运算,如放大,相加,相乘等.

　　模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息,其信号的幅度,或频率,或相位随时间作连续变化,如目前广播的声音信号,或图像信号等.

　　HCNR201的工作原理

　　电压表和电流表都是根据一个原理就是电流的磁效应制作的电流越大,所产生的磁力越大,表现出的就是电压表上的指针的摆幅越大,电压表内有一个磁铁和一个导线线圈,通过电流后,会使线圈产 生磁场这样线圈通电后在磁铁的作用下会旋转,这就是电流表、电压表的表头部分.这个表头所能通过的电流很小,两端所能承受的电压也很小(肯定远小于1V,可能只有零点零几伏甚至更小),为了能测量实际电路中的电压,需要给这个电压表串联一个比较大的电阻,做成电压表.这样,即使两端加上比较大的电压,可是大部分电压都作用在加的那个大电阻上了,表头上的电压就会很小了.

    电压表是一种内部电阻很大的仪器,一般应该大于几千欧.由于电压表要与被测电阻并联,所以如果直接用灵敏电流计当电压表用,表中的电流过大,会烧坏电表,这时需要在电压表的内部电路中串联一个很大的电阻,这样改造后,当电压表再并联在电路中时,由于电阻的作用,加在电表两端的电压绝大部分都被这个串联的电阻分担了,所以通过电表的电流实际上很小,所以就可以正常使用了.直流电压表的符号要在V下加一个_,交流电压表的符号要再V下加一个波浪线"~"

　　HCNR201是Avago公司推出的高线性光耦器件,通过外接不同的分立器件,可以实现交直流电流和电压的光电隔离转换电路,其内部结构如图1所示.HCNR201由高性能的AlGaAs型发光二极管及两个具有严格比例关系的光电二极管PD1和PD2构成.当发光二极管中流过电流IF时,其所发出的光会在光电二极管中PD1、PD2感应出正比于LED发光强度的光电流IPD1、IPD2,其中IF、 IPD1、IPD2满足以下关系:

　　式中K1、K2分别为发光二极管PD1、PD2的电流传输比,其典型值为0.48,范围为0.36~0.72;K3为该光耦的传输增益,其典型值为 1,范围为0.95~1.05.

　　图1 HCNR201内部结构图

　　光电二极管PD1接入输入回路,用于检测和稳定AlGaAs型发光二极管的发光强度,有效地消除了发光二极管的非线性、漂移等特性,而光电二极管PD2作为输出电路的一部分,能产生与发光二极管发光强度成线性关系的光电流,实现测量电路与输出电路之间的线性传递.特性极其相似的光电二极管及先进的封装工艺保证了该光耦的高线性度、传输增益稳定等特性.

　　电压、电流测量电路的工作原理

　　图2给出了测量电压、电流的电路原理图,本电路实现了被测信号与系统的隔离及线性测量的双重功能,它既可测量直流电压信号、也可测量直流电流信号:当跳针JP跳到1和2时,该电路进行直流电压测量;当跳针跳到1和2时,该电路将输入直流电流Iin转换成直流电压进行测量. IF的大小以调节发光二极管的发光强度,从而使得稳定流过光电二极管PD1、PD2的电流.运放A3、光电二极管PD2与阻容元件一起构成输出电路,将流过光电二极管PD2的光电流信号转换为电压信号.

　　图2 电压、电流测量电路

　　1 电压测量原理分析

　　被测信号是电压信号Vin时,将跳针跳到1、2.根据运算放大器"虚断"、"虚短" 特性,有:

　　2 电流测量原理分析

　　被测信号是电流信号Iin时,将跳针跳到2、3,采样电阻R1将电流信号转化为电压信号,以供后续的电路测量.此时,电压测量电路的输入电压为

　　实验结果与分析

　　为提高测量,运算放大器A1、A2、A3采用ADI公司的高运放AD8672,采用±12V电源供电,需要注意的是运放A1、A2与运放A3的电源和地要做好隔离,以防止外界干扰信号通过电源和地窜入到系统中.通过Pspice仿真和多次的实验,终电阻R2、R3、 R4选取为200kΩ、1kΩ、200kΩ,电容C1、C2选取为4700pF,稳压管选取为UDZ10.根据公式(7)可知:Uout=K3Uin.

　　对范围为0~10V的直流电压信号进行测量,针对不同的输入电压,对输出电压进行测量,取得20组数据,如表1所示.运用Excel"图表工具"中"XY散点图"进行分析,得到拟合直线方程为y=0.9981x+0.001,如图3所示.利用该拟合直线可计算出电压测量电路的线性度为 0.75%.

　　图3 电压测量时输入输出的关系

　　图4 测量电流时输入输出的关系

　　对范围0~30mA直流电流进行测量,针对不同的输入电流,对输出电压进行测量,取得6组数据,如表1所示.同样利用Excel的工具绘制出输入电流与输出电压的关系图,如图4所示,并得到拟合直线方程为y=x-0,利用该拟合方程计算出电流测量电路的线性度为0.85%.