HCNR201的正負(fù)電壓測(cè)量

　　1引言

　　在實(shí)際信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對(duì)一些惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集，被采集的信號(hào)既可能是數(shù)字信號(hào)，也可能是模擬信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換而不把現(xiàn)場(chǎng)的噪聲干擾采集到測(cè)量系統(tǒng)中來，必須將被測(cè)信號(hào)和測(cè)量控制電路在電氣上實(shí)現(xiàn)隔離，光電隔離法是一種比較常用的方法。本文給出一種利用高精度線性模擬光耦器件HCNR201光電隔離法對(duì)模擬負(fù)電壓信號(hào)進(jìn)行采集的電路。并通過實(shí)驗(yàn)證明了此方法的正確性。

　　2 HCNR201的基本原理

　　HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1中所示，包括一只高性能的 A1GaAs型發(fā)光二極管f圖1中的LED）、兩只極其相似的光電二極管f圖1中的PDl和PD2）。當(dāng)LED中流過電流IF時(shí)，其所發(fā)出的光會(huì)在PDl和PD2中感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流I。。和I。。由于PDl和PD2的特性非常相似，再加上安裝位置的精確性以及元件先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)保證了該元件的高線性度和增益的穩(wěn)定性，使得

　　IPD2=K·Iml （1）

　?。ㄆ渲蠯為常數(shù)約等于1，當(dāng)芯片制作完成后隨之確定）。用該芯片設(shè)計(jì)電路對(duì)電壓進(jìn)行線性測(cè)量時(shí)使用的就是這一特性。

　　3負(fù)電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　圖2給出了實(shí)際測(cè)量負(fù)電壓的硬件電路。電路中將PDl引入電路是為了使的電路形成完整的閉環(huán)電路。從而達(dá)到形成負(fù)反饋、穩(wěn)定電路性能的效果。

　　電路中的運(yùn)放使用的是OPA2340（單電源供電，供電電壓范圍2．7～5V，滿量程輸出）；電阻R。起限流作用一般為幾百歐姆；電容C用來濾波，可根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率的不同選定；電阻 R，、R：用來對(duì)對(duì)輸入電壓分壓，調(diào)整不同的阻值可以得到不同的測(cè)量范圍。設(shè)分壓系數(shù)為K。，則：

　　由于運(yùn)放的供電電壓的限制，V。必須小于供電電壓，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際被測(cè)模擬量的范圍合理選R。、R：的阻值。根據(jù)“虛短”和“虛斷”原理可知：流過電阻R，的電流Ii=V。／ R，，即流過光電管PDl的電流

　　其中12為流過R5的電流由“虛斷”原理 bI。；K2為由于兩端供電電壓的不同引起的比例系數(shù)，當(dāng)兩端供電電壓確定后K2為一常數(shù)

　　由于（6）式中的K、R。、R：、R3、R5均為常數(shù)，所以輸出電壓 與輸入電壓成正比。并且調(diào)整電阻R3、R5的阻值可以調(diào)整被測(cè) 表1輸入一輸出電壓比較表量模擬量的范圍；調(diào)整電阻K、K2的阻值可以得到不同的電壓放大倍數(shù)；當(dāng)芯片以及供電電壓確定后、也隨之確定為常量，所以，此電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的線性變化，經(jīng)過標(biāo)定后能準(zhǔn)確測(cè)得輸入模擬量的值。

　　4正電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　正向模擬量的測(cè)量電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與負(fù)向模擬量測(cè)量電路一樣，都是應(yīng)用了PDl和PD2特性相似的特點(diǎn)。只是由于被測(cè)量的性質(zhì)使的電路的電流方向的反向．從而導(dǎo)致了連線方式不同，實(shí)際電路設(shè)計(jì)如圖3所示。運(yùn)用的負(fù)反饋原理與負(fù)向測(cè)量電路完全一樣。圖中的VCC是前端運(yùn)放的供電電壓。

　　5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　由于正、負(fù)電壓測(cè)量的原理基本相同。數(shù)據(jù)的處理方法也基本相同，因此只對(duì)負(fù)電壓測(cè)量電路進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理。

　　筆者假設(shè)有一被測(cè)量電壓值約為一28V，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)要求選擇電路參數(shù)為：輸入輸出端運(yùn)放供電電壓均為3．3V；各電阻阻值依次為：Rl=12K12、R2=IKD。、R，=200Kfl、R4=200n、R5= 200Kfl：電容C，=10pF。測(cè)得的數(shù)據(jù)如

　　表1所示，用On‘gin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（輸入電壓絕對(duì)值與輸出的關(guān)系）如圖3所示。

　　圖3中點(diǎn)表示電壓輸入輸出對(duì)應(yīng)點(diǎn)：黑線為電壓輸入輸出點(diǎn)的平滑連接線；紅線為校正曲線。由圖中可以看出，當(dāng)輸入電壓小于10V時(shí)．輸出電壓值偏大，其線性度很差；輸入電壓在 10—40V之間時(shí)，輸出電壓有很好的線性．其線性誤差小于 0．3％。

　　由以上數(shù)據(jù)及處理結(jié)果可知：當(dāng)輸出電壓大于1V，小于運(yùn)放供電電壓（改電路為3．3v）時(shí)，輸出與輸入之間有較好的線性關(guān)系。因此在精度要求大于0．01V的負(fù)電壓測(cè)量中，用戶可以根據(jù)被測(cè)電壓量的大約范圍，設(shè)定電路中的各電阻值，使的輸 出電壓大于1V，從而實(shí)現(xiàn)電壓的準(zhǔn)確測(cè)量。

　　6結(jié)論

　　本文給出了利用高精度線性模擬光耦器件HCNR201進(jìn)行模擬電壓電氣隔離的基本原理和硬件電路，并用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。用本電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果證明，該方法測(cè)量電壓線性度好，測(cè)量精度高，適用于模擬信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)。