線(xiàn)性光耦隔離電路及其在程控電壓源的應用

本文所討論的線(xiàn)性光耦隔離電路是借助于一般光電耦合器的特性，用偏置法和差分技術(shù)設計而成，是用來(lái)隔離計算機所輸出電壓源的數字信號與負載模擬信號之間的干擾。

線(xiàn)性光耦隔離電路的設計

所設計的線(xiàn)性光耦隔離電路是由兩個(gè)光電耦合器、兩個(gè)偏置輸入電路和一個(gè)差分放大電路組成，框圖如圖1所示。

因為光電耦合器有其特有的工作線(xiàn)性區，偏置輸入是用來(lái)調節光電耦合器(1)的輸入電流，使其工作在線(xiàn)性區。而光電耦合器(2)和偏置輸入(2)通過(guò)差分放大電路來(lái)耦合光電耦合器(1)的漂移和非線(xiàn)性。差分放大電路還用來(lái)得到放大的模擬信號。

光耦隔離放大電路采用TLP521-2光電耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。TLP521-2光電耦合器是集成了圖1中光電耦合器(1)和(2)，LF356主要用于信號輸入前的信號處理，一方面保證光電耦合器工作在線(xiàn)性區，另一方面，對輸入信號作簡(jiǎn)單的放大。LF347則組成差分放大電路。所以光耦隔離放大電路的結構圖如圖2所示。

線(xiàn)性光耦隔離電路的接線(xiàn)原理如圖3所示。

圖中，LF356為放大器(1)，中間兩個(gè)光電耦合器由TLP521-2構成，后面四個(gè)放大器由LF347構成。

線(xiàn)性光耦隔離電路的工作原理

光電耦合器的工作特性

TLP521-2光電耦合器是由兩個(gè)單獨的光電耦合器組成。一般來(lái)講，光電耦合器由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏器件構成。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L與電流成正比，當電流增大到引起結溫升高時(shí)，發(fā)光二極管呈飽和狀態(tài)，不再在線(xiàn)性工作區。光電二極管的光電流與光照度的關(guān)系可用IL∝Eu表述。其中，E為光照度，u=1±0.05，因此，光電流基本上隨照度而線(xiàn)性增大。但一般硅光電二極管的光電流是幾十微安，對于光敏三極管，由于其放大系數與集電極電流大小有關(guān)，小電流時(shí)，放大系數小，所以光敏三極管在低照度時(shí)靈敏度低，而在照度高時(shí)，光電流又呈飽和趨勢。達不到線(xiàn)性效果。

因為不同的光電耦合器有不同的工作線(xiàn)性區，所以，在試驗過(guò)程中，應該首先找到光電耦合器的線(xiàn)性區。光電耦合器TLP521-2的電流線(xiàn)性區大約為1～10mA。

光電耦合器的偏置輸入電路可以決定輸入它的電流的范圍，偏置電路設計的好，可以使得輸入電流在很大范圍內變化時(shí)，光電耦合器依然工作在線(xiàn)性區。

差分放大電路工作原理

本電路中差分放大電路采用多運放、可增益、可調零電路。圖3中，兩個(gè)光電耦合器的輸出分別通過(guò)放大器(2)和(3)輸入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到輸出。放大器(5)主要是用來(lái)調零。其中，光電耦合器(2)的偏置輸入電路通過(guò)放大電路來(lái)補償光電耦合器(1)的漂移以及非線(xiàn)性部分。一旦補償奏效，電路的輸出就只與光電耦合器(1)的輸入有關(guān)。

線(xiàn)性光隔離電路在程控電壓源中的應用

本電路所用輸入電壓是由PC機給定，該電壓由程序控制，并且可調節。通過(guò)D/A轉換，變成模擬信號后，送到光耦合隔離放大電路的輸入端，由隔離放大電路隔離放大后從放大器(5)輸出。同時(shí)在輸出端找一個(gè)反饋點(diǎn)，同樣通過(guò)隔離放大電路和A/D轉換返回PC機，通過(guò)反饋調整程序，使輸出更精確。

本實(shí)驗所要求的PC機給定電壓為0-5V，輸出要求達到0-12V。

光耦合隔離電路在程控電壓源中應用的框圖如圖4所示。

由于試驗的目的是為了得到不受輸入影響的精確模擬信號，電路首先要凋零，即在零輸入狀態(tài)下保證輸出為零。調試步驟如下：

調節放大器(1)的反相端，使輸入電壓為零(即接地)。 為保證光電耦合器(1)工作在線(xiàn)性區，調節放大器(1)同相端的輸入電壓，使輸出電壓達到一個(gè)線(xiàn)性度較好的工作區。 調節光電耦合器(2)，使得兩個(gè)耦合器的輸入電流完全相同(因為其電流工作特l生)，從而使得輸出電流也近似相同(因為電子元器件本身的誤差，不可能完全相同)。 調節放大器(2)和(3)的正相輸入電壓，使兩者相等。這樣，在放大器(4)的輸出端可以得到一個(gè)接近零的輸出(也不能完全為零)。R12為放大倍數調節電阻。 調節R17使得放大器(5)輸出端電壓為零，即PR17為調零電阻。 根據所給輸入電壓Vin調節放大倍數，得到所需電壓Vout。

通過(guò)試驗及調試，得到一組線(xiàn)性度很好的數據。

調試中應注意的問(wèn)題

電路中所有+Vcc均為+12V，-Vcc均為-12V，GND為地，但光電耦合器左右兩邊用兩套電源，以避免信號干擾。 對單個(gè)放大器而言，在調試時(shí)，盡量讓輸出電壓在12V以下。 光電耦合器的輸入電流應在2～10mA為宜(這是光電耦合器的線(xiàn)性區，電流太大或太小都會(huì )偏離線(xiàn)性區)，本實(shí)驗采用6.17mA(0V輸入時(shí))。且當輸入電壓Vin從0～5V改變時(shí)，光電耦合器(1)的輸入電流應盡量在一個(gè)較小的范圍內變化，這樣可以盡可能保證輸入電流在光電耦合器的線(xiàn)性區內變化。 電壓放大過(guò)程實(shí)際由兩部分組成，第一部分為放大器(1)，第二部分為后四個(gè)放大器組成的集成運放塊。