光耦合器作為一種比較常見(jiàn)的重要電子元件，在很多電路系統(tǒng)中都能看到它的身影，而在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，光耦合器同樣是一種不可或缺的重要組成部分。合理利用光耦合器進(jìn)行光電隔離電路設(shè)計(jì)，能夠有效提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量精度。在今天的文章中，小編將會(huì)帶領(lǐng)大家實(shí)例分析一種利用光耦HCNR201所設(shè)計(jì)的光電隔離電路，來(lái)看一下怎樣光耦合器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中怎樣應(yīng)用才能達(dá)到最優(yōu)效果。

抗干擾問(wèn)題是在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及自動(dòng)化檢測(cè)時(shí)，最讓工程師們高度緊張的問(wèn)題之一了。因?yàn)樵谶M(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，一些電磁干擾信號(hào)都會(huì)隨著被測(cè)量信號(hào)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，這些干擾信號(hào)迭加在有用的被測(cè)信號(hào)上會(huì)使測(cè)量的準(zhǔn)確度降低。另一方面，測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)信號(hào)“共地”引入的干擾也會(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而影響微機(jī)系統(tǒng)的正常工作。而想要將這些電磁干擾信號(hào)隔離在采集信號(hào)外，光電隔離是常用且方便有效的隔離方法。

我們這里利用光耦合器HCNR201來(lái)進(jìn)行一種光電隔離電路的設(shè)計(jì)。這種光耦隔離電路的工作原理，是通過(guò)光電之間的相互轉(zhuǎn)換，并利用光作為媒介進(jìn)行信號(hào)傳輸，在電氣上使測(cè)量系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)完全隔離。光電隔離電路的設(shè)置，可以減小現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線(xiàn)以及地線(xiàn)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)安全。此外，由于光電耦合器的輸入阻抗小于干擾源的內(nèi)阻，因而使迭加于被測(cè)量信號(hào)上的干擾信號(hào)被極大的衰減，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。

圖1 數(shù)字光隔離放大器

上圖中，圖1是基于光耦合器HCNR201所設(shè)計(jì)的一種數(shù)字式光耦隔離放大器的電路系統(tǒng)。在應(yīng)用線(xiàn)性光耦HCNR201構(gòu)成隔離放大器時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)用一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋放大器，然后利用PD1檢測(cè)LED的光輸出量，并自動(dòng)調(diào)整通過(guò)LED的電流，以補(bǔ)償LED光輸出的變化及任何其它原因引起的非線(xiàn)性，因此該反饋放大器主要用于穩(wěn)定LED的光輸出并使其線(xiàn)性化。

除了上面所提到的幾點(diǎn)外，在使用HCNR201光耦合器完成光耦隔離電路的設(shè)計(jì)時(shí)，我們還需要一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行電流與電壓之間的轉(zhuǎn)換，以便于將輸出光敏二極管PD2輸出的穩(wěn)定的、線(xiàn)性變化的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸出。下圖中，圖2是我們利用HCNR201光耦構(gòu)成的一個(gè)簡(jiǎn)單隔離放大器的原理圖?？梢钥吹?，在圖2中，運(yùn)算放大器A1構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，運(yùn)算放大器A2為電流電壓轉(zhuǎn)換電路。PD1接在放大器A1的輸入端，以完成對(duì)LED輸出光信號(hào)的檢測(cè)。流經(jīng)PD1的電流為IPD1=V_in/R1。由此可見(jiàn)，當(dāng)R1確定后，IPD1只正比于輸入電壓V_in。當(dāng)其它因素引起LED的電流IF變化時(shí)，PD1的負(fù)反饋?zhàn)饔脤⒁种艻F的變化，從而保證了LED輸出光強(qiáng)度正比于輸入電壓V_in。HCNR201在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可保證照射在兩個(gè)光敏二極管上光強(qiáng)度的比例為K，因此，當(dāng)LED發(fā)光時(shí)，流經(jīng)兩只光敏二極管的電流之比應(yīng)當(dāng)為K，即K=IPD2/IPD1。由于A2的輸出為V_out=IPD2R2。因此可得到V_out/V_in=KR2/R1。

圖2 單極性模擬隔離放大器

圖3 雙極性輸入隔離放大器

從上文中的公式計(jì)算和推導(dǎo)可以得出，這種基于光耦合器HCNR201所構(gòu)成的隔離放大器電路，其輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系是線(xiàn)性變化的，而且與LED的輸出光強(qiáng)無(wú)關(guān)。其增益可通過(guò)改變R2/R1來(lái)調(diào)整。R3為L(zhǎng)ED的限流電阻，C1、C2用于改善電路的高頻特性。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，圖2所示電路僅適用于單極性信號(hào)的隔離放大，而圖3所示則是一種雙極性隔離放大電路，這種電路同樣適用于基于光耦設(shè)計(jì)的光電隔離電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用。