線(xiàn)性光電隔離電路的設(shè)計(jì)

摘要：光電隔離是數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)抗干擾的一項(xiàng)重要措施，由于光電耦合器件的非線(xiàn)性，對(duì)模擬量的光電隔離會(huì)帶來(lái)較大信號(hào)失真。為了提高光電隔離電路的線(xiàn)性度，采用負(fù)反饋方法把光耦器件的輸出電流反饋輸入端。進(jìn)行光電隔離電路的靜態(tài)特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)輸入信號(hào)在0～5 V時(shí)，光電隔離電路的輸出失真最大為27 mV，線(xiàn)性度為0．014％。
關(guān)鍵詞：光電隔離；模擬信號(hào)；線(xiàn)性度；負(fù)反饋；靜態(tài)特性

    在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)的采集過(guò)程中，抗干擾是首先要解決的問(wèn)題。如果不經(jīng)隔離，各種電磁干擾信號(hào)就會(huì)和被測(cè)信號(hào)一起進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)。干擾信號(hào)疊加在被測(cè)信號(hào)上，一方面降低了測(cè)量的準(zhǔn)確度；另一方面，尖峰電磁脈沖將會(huì)給后級(jí)電路系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的破壞。所以，模擬信號(hào)必須和后級(jí)的采集電路在電氣上完全隔離。光電耦合器件利用光電轉(zhuǎn)換，使用光信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，性能良好，被非常廣泛的應(yīng)用在數(shù)傳和采集系統(tǒng)信號(hào)隔離中。但是光電耦合器件由于發(fā)光二級(jí)管和光敏三極管的伏安特性，非線(xiàn)性失真非常嚴(yán)重，一般僅僅應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)的隔離中，對(duì)于模擬信號(hào)，不能直接使用光電耦合器件來(lái)進(jìn)行隔離。對(duì)于數(shù)字光耦，可以使用反饋改善其輸入輸出的線(xiàn)性度，從而使用數(shù)字光耦得到模擬光電隔離電路。在此使用數(shù)字光耦TLP521-2和集成運(yùn)放LM2904設(shè)計(jì)了深度負(fù)反饋電路，大大提高了光耦的線(xiàn)性度。試驗(yàn)表明：使用用數(shù)字光耦，經(jīng)過(guò)負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)隔離。

1 數(shù)字光耦TLP521-2
    TLP521-2是東芝公司的數(shù)字光耦器件，該芯片內(nèi)部封裝了兩路獨(dú)立的光耦，每一路光耦由一個(gè)發(fā)光二級(jí)管和一個(gè)光敏三極管組成。耦合原理：當(dāng)給發(fā)光二級(jí)管加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通發(fā)光，光線(xiàn)照射在光敏三極管的感光面上；如果同時(shí)給三極管的CE級(jí)加正向電壓，則三極管的CE級(jí)產(chǎn)生集電極電流輸出。TLP521-2內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管較排列如圖1所示。

    由于二極管和三極管的伏安特性，光敏三極管集電極電流Ic和發(fā)光二極管正向電壓Vf不是線(xiàn)性的，曲線(xiàn)圖如圖2所示。

2 深度負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)
    使用深度負(fù)反饋可以改善系統(tǒng)的線(xiàn)性度，根據(jù)這個(gè)原理，在此設(shè)計(jì)了模擬信號(hào)的光電隔離電路。在該電路中使用了1片LP521-2光耦和2片LM2904集成運(yùn)放。LP521-2有兩路光耦，其中一路用于信號(hào)轉(zhuǎn)換，一路用于負(fù)反饋；運(yùn)放2904-1A用于用于組成負(fù)反饋電路，運(yùn)放2904-2A構(gòu)成了電壓跟隨器，用于增加電路帶負(fù)載能力。模擬信號(hào)光電隔離電路如圖3所示。
    電路輸出電壓和輸入電壓是線(xiàn)性關(guān)系：LP521-2的兩路光耦通道的發(fā)光二極管串聯(lián)，通過(guò)2個(gè)二極管的電流If1=If2。因?yàn)閮陕饭怦罘庋b在1個(gè)器件中，光電特性基本一致，理想情況下可以認(rèn)為兩路光耦的集電極輸出電流相等，即Ice1=Ice2。
    根據(jù)理想運(yùn)放的性質(zhì)，可以得到下面的公式：
    
    所以Vo=(R2／R1)Vi，輸出電壓和輸入電壓成正比，比例系數(shù)由R1和R2確定。

3 電路具有輸出保護(hù)功能
    輸出電壓Vo=Vcc-Vce，其中，Vce為光敏三極管c，e極的壓降，所以，當(dāng)輸入電壓很大時(shí)，輸出電壓Vo的值也不會(huì)超過(guò)Vcc。這樣就保護(hù)了后續(xù)電路，不受沖擊電壓的影響。增大Vcc可以增大隔離電路的量程。

4 電路靜態(tài)特性
    使用可調(diào)穩(wěn)壓電源產(chǎn)生各種一系列不同電壓加光電隔離電路輸入端，并使用高精度數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電路的輸入／輸出值，得到電路輸入輸出特性。表1列出了輸入輸出的典型值。(R1=R2=1 kΩ，Vcc=12 V)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到電路的輸入輸出曲線(xiàn)，如圖4所示。

    使用線(xiàn)性擬合，得到電路的理想特性曲線(xiàn)為：y=1．005 3x+0．003，線(xiàn)性度為0．014％。

5 結(jié) 語(yǔ)
    光電隔離是模擬信號(hào)采集的一項(xiàng)關(guān)鍵措施，在此設(shè)計(jì)了線(xiàn)性光電隔離電路，該電路能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離。當(dāng)輸入電壓在在0～5 V范圍內(nèi)時(shí)，輸出誤差最大為27 mV，線(xiàn)性度達(dá)到0．014％。