引 言

在工业生产精确测量和自动控制系统中，为避免外部的多种影响，务必将检测系统和计算机软件开展电气隔离。常见的隔离措施有变电器防护、电容耦合防护和光耦隔离。与变电器防护、电容耦合防护对比，光电耦合器体型小，价格低，防护电源电路简易且能够彻底清除前后左右级的互相影响，具备更强的抗干扰性。

针对模拟信号的防护，应用一般的光电耦合器元器件防护就能实现不错的实际效果。殊不知一般的光电耦合器具备很大的离散系统电流量传送特点且受环境温度改变的干扰很大，针对脉冲信号的传送其准确度和线性无法达到系统要求。为了更好地能更准确地传输脉冲信号，用线性光耦防护是较好的挑选。线性光耦輸出数据信号随键入数据信号转变 而成占比转变 ，它为脉冲信号传送中防护控制电路的简单、高精密化产生了便捷。

文中以avago企业的hcnr201线性光电耦合器为例子表明线性光耦的内部结构基本原理及防护控制电路的基本原理。

2 hcnr201线性光耦隔离基本原理

线性光耦hcnr201内部构造基本原理如图所示1所显示。hcnr201由一个性能卓越发光二极管led和2个邻近配对的光敏二极管pd1和pd2构成，这两个光敏二极管有相同的技术参数。led是防护数据信号的键入端，当有电流量穿过时便会发亮，2个光敏二极管在光亮直射时便会造成光电流，hcnr201的內部封裝构造促使pd1和pd2都能从led获得类似阳光照射，且磁感应出正比例于led亮度单位的光电流。光敏二极管pd1起负的反馈功效用以清除led的离散系统和误差特点产生的偏差，改进键入与輸出电源电路间的线形和溫度特点，平稳电源电路特性。光敏二极管pd2是线性光耦的输入输出端，接受由led传出的光照而造成与光照强度正相关的输入输出电流量，做到键入及輸出电源电路间电流量隔离的作用。恰好是hncnr201內部的封裝构造、pd1与pd2的严苛占比关联及pd1负的反馈的效果确保了线性光耦的高可靠性和高线性。

图1 线性光耦hcnr201内部构造

3 线性光耦hcnr201防护电源电路

3.1 原理

hcnr201的led、pd1及运算放大器a1等构成防护控制电路的导入一部分，pd2及运算放大器a2等构成防护控制电路的导出一部分。设防护电源电路输进电流为vin，输出电压为vout，led上电流量为if，二极管pd1上形成的工作电流为ipd1，二极管pd2上形成的工作电流为ipd2，如图2所显示。

图2 线性光耦hcnr201仿真模拟工作电压防护电源电路

防护电源电路中pd1产生了负的反馈，当有工作电压vin键入时，运算放大器a1的輸出使led上面有电流量if穿过，且键入电流的转变 反映在电流量if上，并推动led发亮把电子信号转化成光信号灯不亮。led传出的光被pd1检测到并造成光电流ipd1。与此同时，键入工作电压vin也会形成电流量穿过r1。假设a1是理想化运算放大器，则沒有电流量注入a1的键入端，穿过r1的电流量可能穿过pd1到地，因而，ipd1=vin/r1。留意，ipd1只在于键入工作电压vin和r1的值，与led的光频率特性不相干。又因led传出的光与此同时直射在2个光敏二极管上，且pd1和pd2完全一致的，理想化状况下ipd2应当相当于ipd1。界定一个指数k，有ipd1=kipd2，k约为1±5%(当集成ic制做成功后随着明确)。运算放大器a2和电阻器r2把ipd2转化成输出电压vout，有vout=ipd2r2，组成上边的3个方程式获得输出电压和键入工作电压关联：vout/vin=kr2/r1，因而，输出电压vout具备可靠性和线形，其增益值可利用调节r2与r1的值来完成，一般取r1和r2的值同样。

防护电源电路中电阻器r1起过流保护功效。r3用以操纵led的亮度单位，进而对操纵安全通道增益值起一定功效。电容器c1、c2为意见反馈电容器，用以提升线路的可靠性。运放电路a1的效果是把工作电压数据信号转化成电流量数据信号，运放电路a2的效果是把光电耦合器輸出的电流量数据信号转换为电流数据信号，并提高负荷推动工作能力。

3.2 常见问题

(1) 要完成讯号的彻底防护，不但数据信号自身要防护，提供防护前后左右电源电路工作中的开关电源也必须防护。电源电路中前后左右级运算放大器选用了单独的开关电源供电系统，具有防护影响的功效。

(2) 因为线性光耦引进信息反馈，因此防护电源电路不适感用以被测数据信号改变太快或頻率很高的场所

防护电源电路在pt100电源电路中的运用及试验剖析

4.1 试验标准

本试验将线性光耦hcnr201防护电源电路运用于pt100温度测量电源电路中。pt100铂热电阻是一种常见的温度感应器，其电阻与工作温度展现贴近线形的关联，只需测到pt100的电阻值就可以计算出被测温值。pt100温度测量电源电路将pt100铂热电阻电阻值的变动转换为电流数据信号，历经a/d变换后传送给51单片机系统软件事件处理来得到测量温度值。选用线性光耦防护电源电路对pt100温度测量电源电路开展防护，避免外部影响的与此同时，为确保温度检测結果的精确性，还需要做到高精密的传送精确测量数据信号，即防护电源电路前后左右工作电压一致，才达到具体使用的规定。试验电路设计图如图所示3所显示。

图3 pt100温度测量电源电路防护电路原理图

4.2 电源电路变量值的选择

(1) 运放电路的选择

线性光耦hcnr201为电流量推动型元器件，其led的工作中电流量为1ma～40ma，运算放大器器的选用务必确保其輸出电流量有充足的推动工作能力推动led二极管。电源电路选用运算放大器lmv321,其輸出电流量可以达到40ma。

(2) 电阻器主要参数的选择

为了更好地确保传送精密度，外场元器件应挑选可靠性不错的元器件。电阻器采用精密度为1‰的金属膜电阻。电阻器的选用必须考虑到运算放大器的线形范畴和线性光耦的最高运行电流量ifmax。假定明确vcc1=5v，pt100温度测量电源电路的键入电流在0~5v中间，防护电源电路输出电压相当于键入工作电压。下边得出主要参数确认的全过程。

●明确if：hcnr201是电流量推动型，其led的工作中电流量if规定为1~40ma，集成ic指南强烈推荐工作中电流量为25ma，因而，这里取if=25ma。

●明确r3/r3=vcc1/if=5/0.025=200ω，且精密度为千分之一。

●明确r1：依据集成ic指南表明当5na

●明确r2：取r2=r1=100kω，且精密度为千分之一。

●电容器的选择：依据集成ic指南强烈推荐，取c1=c2=0.001uf 为工作经验选值。

总的来说，运算放大器a1、a2为lmv321m5；r1=r2=100kω；r3=200ω；c1= c2=0.001μf。

4.3 试验数据信息精确测量及剖析

防护电源电路运用于pt100检测电源电路中，防护前面键入经pt100电源电路精确测量后键入的电流值。防护前、后工作电压值由校准仪ca71测出，并根据matlab绘制比照图型。一部分精确测量数据信息见附注，matlab制作图型如图4所显示。

附注 试验数据信息



图4 matlab制作趋势图

图4中平行线为理想化結果，斜线为具体結果。

根据试验测定数据信息能够发觉：线性光耦防护电源电路有有效的稳定度和线形，且键入电流为1.5v到2v中间时传送精密度实际效果最好。必须确立，选用线性光耦防护电源电路开展防护一定会造成 仿真模拟电流的传送造成一定的偏差，若精确测量电源电路对工作电压精密度标准不高，应用线性光耦开展防护能够做到很好的实际效果，殊不知，针对pt100温度测量电源电路来讲，在200℃时，工作电压偏差在0.1~0.2v，那样会导致溫度数据误差较大做到10℃上下。那样的偏差针对pt100温度测量是不允许的，在这类对传送精密度需求很高的电源电路里，提升精密度的切实可行的解决方法便是根据单片机软件解决对信息开展偏差调整

5 手机软件调整提升精密度

由试验得知，选用防护电源电路开展防护一定会使仿真模拟工作电压传送造成一定的偏差，但线性光耦的特征确定了其輸出具备不错的线性，能够充分利用这一点根据单片机软件开展偏差的调整。

调整方式：对于防护电源电路运用的场所确立防护电流电压的范畴，随后向防护电源电路给予防护电流电压的2个值，界定这两个极大值为调整值，并利用单片机设计读取收集到的校正值的评测数值，根据键入值和平均误差中间的误差，就可以根据调整优化算法，求出随意精确测量值具体相应的键入值。

图5 平面坐标平面图

5.1 调整优化算法

设x轴上各点为单片机设计具体测得标值，平行线l上各点为线性光耦前键入值。设平行线l上 a，b二点为调整值，其相匹配于x轴的a1、b1为单片机设计具体检测值，则可估算出a点和b点的偏差各自为a=a-a1，b=b-b1，c1为单片机设计收集到随意值，若能求取偏差c的值，根据调整测算c1 c即是c1的梦想值c。

根据占比关联可获得：

偏差调整：c= c1 c；

即

对于pt100温度测量电源电路的具体方法：温度测量范畴为-50℃~200℃，选择2个标准如0℃和150℃，根据校准仪ca71向温度测量电源电路键入0℃和150℃，各自精确测量这两个点的检测值并测算具体检测值与梦想值间的误差。在实际上检测中根据调整优化算法运用这两个误差根据公式计算算出其他各点的误差值，再对具体检测值开展调整。试验证实开展调整后溫度偏差能够精准到1~2℃之内。

5.2 常见问题

(1) 精确测量数据信息选用均值滤波法实现解决。

为了更好地提升测量精度，选用数字滤波技术性的均值滤波法对检测信息完成解决。即每一次收集n个值，除去当中的极值和极小值而取剩下的n-两个标值的均值，那样可避免遭受突发单脉冲影响的数据信息进到。

(2) 试验中发觉线性光耦防护电源电路会伴随着通电時间的不断发生防护后的工作电压毫伏级的降低的状况。大概三十分钟后保持稳定。因而，将电源电路通电运作一段时间后再开展校正，精密度高些。

6 结语

文中剖析了线性光耦hcnr201开展仿真模拟工作电压电气隔离的基础理论和防护电源电路，并提供了切实可行的手机软件优化算法来提升精确测量电源电路精密度。试验说明防护电源电路根据调整后精密度十分高，特别适合使用于对仿真模拟工作电压精密度需求很高的监测系统。

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