第１８卷第１・２期 ２０１５年１・２月 鼋涤挂雅周 Ｐ０ＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＵＣＡＴＩＯＮＳ Ｖ０Ｉ＿１８ Ｎｏ．１・２ Ｊａｎ．＆Ｆｅｂ．２０１５ 基于ＨＣＮＲ２０１的高精度隔离采样电路 邹嘉 ，张磊 （１海军装备部驻西安地区军事代表局，陕西西安７１００７５） （２西安微电子技术研究所电源设计事业部，陕西西安７１００７４） 摘要：基于高线性度的光耦ＨＣＮＲ２０１的隔离采样电路，可用于输出端电压和电流的隔离采样。 介绍了对ＨＣＮＫ２０１外围电路参数的合理设计，因而很好地实现了高精度隔离采样。 关键词：隔离；采样；线性光耦；高精度；Ｈ Ｃ ＮＲ２０１ Ｈｉｇｈ Ａｃｃｕｒａｃｙ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＨＣＮＲ２０１ ｚ０ｕ Ｊｉａ，ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｉｇｈｔ——ｃｏｕｐｌｅｒ ＨＣＮＲ２０１ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｓｏｌａｔｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｅｎｐｂｅｒｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ＨＣＮＲ２０１ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｄｅ，ａｎｄ ｈｉｌｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓｏｌａｔｅ ｓａｍｐｈｎｇ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｓｏｌａｔｅ；ｓａｍｐｌｉｎｇ；ｌｉｎｅａｒ ｌｉｇｈｔ－ｃｏｕｐｌｅｒ；ｈｉｇ ａｃｃｕｒａｃｙ；ＨＣＲＮＲ２０ １ 中图分类号：ＴＮ７０文献标识码：Ａ 文章编号０２１９－２７１３（２０１５）０１・０２—０５６—０３ １ 引言 在控制系统中，为防止外界的各种干扰，避免 将输出电路的噪声引入控制回路，必须将测量系统 果。然而一般的光耦具有较大的非线性电流传输特 性且受温度变化的影响较大，对于模拟信号的传输 其精度和线性度难以满足系统要求。为了能更精确 地传送模拟信号，用线性光耦隔离是最好的选择。 线性光耦输出信号随输人信号变化而成比例变化， 它为模拟信号传输中隔离电路的简单化、高精度化 带来了方便。线性光耦ＨＣＮＲ２０１自身具有很好的 和计算机系统进行有效的电气隔离。一般常用的隔 离措施有电容耦合隔离、变压器隔离和光耦隔离。 与变压器隔离、电容耦合隔离相比。光耦体积小，价 格便宜，隔离电路简单且可以完全消除前后级的相 隔离效果。并且自身带有反馈环节，通过对外围电 阻的设计可以很好的将输出信号和输入信号高度 线性化。 互干扰，具有更强的抗干扰能力。对于数字信号的 隔离．使用一般的光耦器件隔离就能达到很好的效 收稿日期：２０１４—１１—２５ —５６一 蕊蕊国 ２ ＨＣＮＲ２０１线性光耦隔离原理 ＨＣＮＲ２０１内部结构原理如图ｌ所示。它由一个 一般而言Ｋ，＝ｌ。 ３ ＨＣＮＲ２０１隔离采样电路 线性光耦ＨＣＮＲ２０１及其外围典型应用如图２ 所示，为满足自主供电和宽范围电压采样，设计了 稳压管ＪＢＷＡ６２和三极管Ｊ３ＤＫ１０Ｈ构成的线性辅 高性能发光二极管ＶＤ，和两个相邻匹配的光敏二 极管ＶＤ 和ＶＤ，组成，这两个光敏二极管性能参数 完全一致。ＶＤ。是隔离信号的输入端，当有驱动电流 ， 流过时就会发出红外光，两个光敏二极管ＶＤ 和 ＶＤ 接收来自ＶＤ 的红外光，且感应出正比于ＶＤ 助源及电阻分压电路，整个电路结构简单、易于实 现，在工程中得到了很好的应用。 发光强度的光电流，２和 光敏二极管ＶＤ：起负反 馈作用，用于消除ＶＤ 的非线性和偏差特性带来的 误差。改善输人与输出电路间的线性和温度特性。 图２中，采样电阻将输入信号转换成电压信号 ＤＣＶ１，ＤＣＶ１通过分压电阻 ２、Ｒ３ 、Ｒ４的比例关系 转换成需要的电压 。由线性光耦ＨＣＮＲ２０１的１、 稳定电路性能（通常１２＝１１／２００）。光敏二极管ＶＤ，是 线性光耦的输出端，接收由ＶＤ 发出的光线而产生 与光强成正比的输出电流。达到输入及输出电路间 电流隔离的作用。正是ＨＣＮＲ２０１内部的封装结构、 ＶＤ：与ＶＤ，的严格比例关系及ＶＤ：负反馈的作用， 保证了线性光耦的高线性度和高稳定性。一般反馈 增益Ｋ１＝／２／１１，正向增益Ｋ：＝１３／１ ，传输增益Ｋ３＝１３／１２， ２、３、４管脚及运放ＬＭ１５８等组成隔离电路的输入 部分，ＨＣＮＲ２０１的脚５、脚６以及运放ＬＭ１５８等组 成隔离电路的输出部分。设隔离电路输入电压为 ，输出电压为 ，发光二级管ＶＤ 上电流为， ， 光敏二极管ＶＤ：上产生的电流为，２，二极管ＶＤ 上 产生的电流为厶。隔离电路中ＶＤ 形成了负反馈，当 有电压 输入时，运算放大器 。的脚ｌ输出使 ＶＤ 上有电流， 流过，且输入电压的变化能体现在 原边电流，ｌ上，此电流驱动ＶＤ。发光把电信号转变 成光信号。ＶＤ 发出的光被ＶＤ：接收并产生光电流 ，２。同时，输入电压 也会产生电流流过Ｒ 和尺 。 假定 是理想运放，则没有电流流入 。的输入端。 流过尺 和Ｒ 的电流将会流过光敏管ＶＤ 到地．因 此有 （１） 图１ ＨＣＮＲ２０１内部结构原理图 ＶＤ？ｚ ｖＤｓＬ ３ＤＫｌ０Ｈ Ｃ１ ： ＢＷＡ６２ Ｃ２： ＶＤ２ ＧＮＤ 图２隔离采样电路原理图 一５７— 第ｌ８卷第ｌ・２期 电濠艘 应阚 Ｐ０ＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＵＣＡＴＩＯＮＳ Ｖ０ｌ＿１８ Ｎｏ．１・２ ２０１５年１・２月 Ｊａｎ．＆Ｆｅｂ．２０１５ 注意，ＶＤ：只取决于输入电压 和Ｒ ＋Ｒ，的 值，与ＶＤ 的光输出特性无关。又因ＶＤ 发出的光 同时照射在两个光敏二极管上，且ＶＤ：和ＶＤ。完全 相同的，理想情况下ＶＤ 应该等于ＶＤ 。定义一个系 数 ．有 Ｉ２＝ＭＩ３ （２） Ｍ约为１±５％（这个参数由ＨＣＮＲ２０１内部结构 决定）。 运放 和电阻Ｒ 把，３转变成输出电压 ，有 Ｅ，伽ｆ＝厶 Ｒ９ （３） 组合以上３个方程得到输出电压和输入电压 关系．得到 ＿Ⅱ： Ｒ６ ＋Ｒ７ ｒ４１ 因此。输出电压 具有稳定性和线性，其增益 可通过调整尺 与Ｒ 、Ｒ，的值来实现，通常取Ｒ 和 Ｒ ＋ ，的值相同。这里设计Ｒ ＋ 是为了便于实 现输入和输出电压的一致性。 隔离电路中电阻Ｒ ＋ 起限流作用。Ｒ 用于 控制ＶＤ 的发光强度，对控制通道增益起一定作 用。ｃ 为反馈电容，用于提高电路的稳定性，对通道 在高频时的增益有一定影响．虽然减小ｃ 的值可以 拓展带宽，但会影响初级运算放大器的增益。同时， 初级运算放大器输出上的较大毛刺信号不易被滤 除。运算放大器 的作用是把电压信号转变成电流 信号，运算放大器 的作用是把光耦输出的电流信 号转变为电压信号，这里利用运放跟随电路可以增 强负载驱动能力。 此电路能够适应很宽的采样范围：１５￣４０ Ｖ（由 三极管决定）。若需采集更宽的电压信号，可利用开 关电源拓扑设计辅助源部分。调整分压电阻，实现 电压的全范围采样。采集交流信号时，可将交流电 压整流后信号送人此电路，按照比例关系合理分压 后得到需要的电压信号。 ４ 实验数据整理 这里将２８ Ｖ电压转成５ Ｖ再隔离后送到 ＤＳＰ。Ｕ４、Ｕ５分别为线性光耦ＨＣＮＲ２０１输入输出两 一５８一 端电压（见表１）。 误差精度Ｄ为 Ｄ＝ ＝０．２９％ （５） 表１隔离采样电压转换表 ＤＣＶ１厂、，１ ＵＪＶ Ｕ ＼ １ｊ ２８ ５．０１０ ５．００８ ５．０１５ ５．０３５ ５ 结束语 线性光耦ＨＣＮＲ２０１组成的模拟信号隔离电 路，线性度好、采样精度高、结构简单且工作稳定可 靠，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统电气 隔离问题。采用该电路进行信号隔离反馈，准确可 靠，在系统闭环控制中发挥了重要作用。二Ｉ１ １ｊ 参考文献 杨小晨，王欣．高精度线性光耦ＨＣＮＲ２００／２０１及其应用 ［Ｊ卜仪器仪表用户２００３，ｌｏ（５） 吕勇军．模拟光耦ＨＣＮＲ２０１及在数据采集系统中的应 用［Ｊ］．国外电子元器件，２００３（４）：６８—６９． 徐德鸿．电力电子系统的建模与控制技术［Ｍ］．杭州：浙 江大学出版社．２００１． 童诗白．模拟电子技术【Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００１． 数字电路设计的抗干扰考虑［Ｊ／ＤＬ】．２００３—３－１０． 马明建，周长城．数据采集与处理技术［Ｍ】．西安：西安 交通大学出版社．１９９８． 作者简介 邹嘉（１９７１一），硕士。从事航天配套产品质量监督及检 验验收工作。
