HCNR201的工作原理

　　HCNR201是Avago公司推出的高線性光耦器件，通過外接不同的分立器件，可以實現(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)光二極管中流過電流IF時，其所發(fā)出的光會在光電二極管中PD1、PD2感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強度的光電流IPD1、IPD2，其中IF、 IPD1、IPD2滿足以下關(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，用于檢測和穩(wěn)定AlGaAs型發(fā)光二極管的發(fā)光強度，有效地消除了發(fā)光二極管的非線性、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)光強度成線性關(guān)系的光電流，實現(xiàn)測量電路與輸出電路之間的線性傳遞。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性度、傳輸增益穩(wěn)定等特性。

　　電壓、電流測量電路的工作原理

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

圖2 電壓、電流測量電路

　　1 電壓測量原理分析

　　被測信號是電壓信號Vin時，將跳針跳到1、2。根據(jù)運算放大器“虛斷”、“虛短” 特性，有：

　　2 電流測量原理分析

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

　　實驗結(jié)果與分析

　　為提高測量精度，運算放大器A1、A2、A3采用ADI公司的高精度運放AD8672，采用±12V電源供電，需要注意的是運放A1、A2與運放A3的電源和地要做好隔離，以防止外界干擾信號通過電源和地竄入到系統(tǒng)中。通過Pspice仿真和多次的實驗，最終電阻R2、R3、 R4選取為200kΩ、1kΩ、200kΩ,電容C1、C2選取為4700pF，穩(wěn)壓管選取為UDZ10。根據(jù)公式（7）可知：Uout=K3Uin。

　　對范圍為0～10V的直流電壓信號進(jìn)行測量，針對不同的輸入電壓，對輸出電壓進(jìn)行測量，取得20組數(shù)據(jù)，如表1所示。運用Excel“圖表工具”中“XY散點圖”進(jìn)行分析，得到擬合直線方程為y=0.9981x+0.001，如圖3所示。利用該擬合直線可計算出電壓測量電路的線性度為 0.75%。

圖3 電壓測量時輸入輸出的關(guān)系

圖4 測量電流時輸入輸出的關(guān)系

　　對范圍0～30mA直流電流進(jìn)行測量，針對不同的輸入電流，對輸出電壓進(jìn)行測量，取得6組數(shù)據(jù)，如表1所示。同樣利用Excel的工具繪制出輸入電流與輸出電壓的關(guān)系圖，如圖4所示，并得到擬合直線方程為y=x-0，利用該擬合方程計算出電流測量電路的線性度為0.85%。