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[導(dǎo)讀]模擬信號(hào)量值采集的精確度和穩(wěn)定度決定了整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行可靠程度,然而,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,干擾嚴(yán)重,為了對(duì)模擬信號(hào)的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換而不把現(xiàn)場(chǎng)的各種噪聲干擾引入到控制系統(tǒng),必須將被測(cè)模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行良好的線(xiàn)

模擬信號(hào)量值采集的精確度和穩(wěn)定度決定了整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行可靠程度,然而,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,干擾嚴(yán)重,為了對(duì)模擬信號(hào)的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換而不把現(xiàn)場(chǎng)的各種噪聲干擾引入到控制系統(tǒng),必須將被測(cè)模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行良好的線(xiàn)性隔離。一般情況下,直流隔離措施可采用專(zhuān)用隔離運(yùn)算放大器(ISO124系列)加配一個(gè)高精度隔離直流電源,通過(guò)電氣耦合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)的線(xiàn)性隔離,但這種方法成本較高而且溫漂較大。本文采用線(xiàn)性光耦HCNR201實(shí)現(xiàn)了被測(cè)模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)之間的線(xiàn)性隔離。線(xiàn)性光耦的隔離原理與普通光耦沒(méi)有太大差別,只是將改變了普通光耦的單發(fā)單收模式,增加一個(gè)用于反饋的光電二極管并且增大了線(xiàn)性區(qū)域。兩個(gè)光電二極管都是非線(xiàn)性的,但其非線(xiàn)性特性都是一樣的,所以可以通過(guò)反饋通路的非線(xiàn)性來(lái)抵消直通通路的非線(xiàn)性,從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的線(xiàn)性傳遞。

HCNR201的工作原理

HCNR201是Avago公司推出的高線(xiàn)性光耦器件,通過(guò)外接不同的分立器件,可以實(shí)現(xiàn)交直流電流和電壓的光電隔離轉(zhuǎn)換電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。HCNR201由高性能的AlGaAs型發(fā)光二極管及兩個(gè)具有嚴(yán)格比例關(guān)系的光電二極管PD1和PD2構(gòu)成。當(dāng)發(fā)光二極管中流過(guò)電流IF時(shí),其所發(fā)出的光會(huì)在光電二極管中PD1、PD2感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流IPD1、IPD2,其中IF、 IPD1、IPD2滿(mǎn)足以下關(guān)系:

式中K1、K2分別為發(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

光電二極管PD1接入輸入回路,用于檢測(cè)和穩(wěn)定AlGaAs型發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度,有效地消除了發(fā)光二極管的非線(xiàn)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(chǎn)生與發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系的光電流,實(shí)現(xiàn)測(cè)量電路與輸出電路之間的線(xiàn)性傳遞。特性極其相似的光電二極管及先進(jìn)的封裝工藝保證了該光耦的高線(xiàn)性度、傳輸增益穩(wěn)定等特性。

電壓、電流測(cè)量電路的工作原理

圖2給出了測(cè)量電壓、電流的電路原理圖,本電路實(shí)現(xiàn)了被測(cè)信號(hào)與系統(tǒng)的隔離及線(xiàn)性測(cè)量的雙重功能,它既可測(cè)量直流電壓信號(hào)、也可測(cè)量直流電流信號(hào):當(dāng)跳針JP跳到1和2時(shí),該電路進(jìn)行直流電壓測(cè)量;當(dāng)跳針跳到1和2時(shí),該電路將輸入直流電流Iin轉(zhuǎn)換成直流電壓進(jìn)行測(cè)量。穩(wěn)壓管D1可防止過(guò)電壓對(duì)電路的沖擊,起到保護(hù)測(cè)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(fù)載對(duì)輸入信號(hào)的影響,使得后一級(jí)的電路更穩(wěn)定地工作。電容C1、C2用于防止運(yùn)放A2、A3自激現(xiàn)象,使運(yùn)放電路穩(wěn)定地工作。運(yùn)放A2、發(fā)光二極管 LED、光電二極管PD1與阻容元件一起構(gòu)成輸入電路,光電二極管PD1為運(yùn)放A2引入負(fù)反饋,若發(fā)光二極管LED發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化,運(yùn)放A2就會(huì)調(diào)整 IF的大小以調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度,從而使得穩(wěn)定流過(guò)光電二極管PD1、PD2的電流。運(yùn)放A3、光電二極管PD2與阻容元件一起構(gòu)成輸出電路,將流過(guò)光電二極管PD2的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

圖2 電壓、電流測(cè)量電路

1 電壓測(cè)量原理分析

被測(cè)信號(hào)是電壓信號(hào)Vin時(shí),將跳針跳到1、2。根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷”、“虛短” 特性,有:

2 電流測(cè)量原理分析

被測(cè)信號(hào)是電流信號(hào)Iin時(shí),將跳針跳到2、3,采樣電阻R1將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),以供后續(xù)的電路測(cè)量。此時(shí),電壓測(cè)量電路的輸入電壓為



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