光耦的線性化與線性光耦器件的應(yīng)用

1　引　言

在單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，被測(cè)試對(duì)象信號(hào)的隔離對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作具有重要作用。這里主要有兩方面的考慮：

（1）保護(hù)被測(cè)試對(duì)象和測(cè)試電路，使其不會(huì)因?yàn)楸粶y(cè)試對(duì)象或測(cè)試電路的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。

（2）減小環(huán)境干擾對(duì)測(cè)試電路的影響。為保護(hù)后級(jí)設(shè)備、保證測(cè)量結(jié)果的有效性，測(cè)試電路與被測(cè)電路必須做到嚴(yán)格的電氣隔離。

光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應(yīng)用于輸入和輸出信號(hào)的電氣隔離。但是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸時(shí)，由于光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二級(jí)管和光敏三級(jí)管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限，一般來(lái)講，光耦器件主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)的隔離，而較少用于模擬信號(hào)的隔離。

目前對(duì)于模擬電信號(hào)的隔離主要有2種方法：一種是采用諸如霍爾器件等特殊傳感器，但其價(jià)格較貴；另一種是首先進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換或V／F轉(zhuǎn)換，再用光耦進(jìn)行隔離的方法，但處理過(guò)程較為復(fù)雜，并且不能使用單片機(jī)內(nèi)置的A／D口。如果能夠使用光耦器件完成對(duì)模擬信號(hào)的隔離，無(wú)疑是很有意義的。

2　普通光耦器件的線性化使用

光電耦合器由發(fā)光器和受光器2部分組成，發(fā)光器是一個(gè)發(fā)光二級(jí)管，受光器是一個(gè)光敏三級(jí)管，二者密封在同一管殼內(nèi)。當(dāng)受光器接受光照時(shí)，產(chǎn)生電流輸出。由于電信號(hào)以光線為傳輸介質(zhì)，因而實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出信號(hào)在電氣上的良好隔離。但是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸時(shí)，由于光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二級(jí)管和光敏三級(jí)管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上存在一定程度的非線性失真。

可以設(shè)想，如果采取措施使光耦器件的非線性問(wèn)題得以改善，那么利用光耦進(jìn)行模擬信號(hào)的隔離是可能的。根據(jù)以上假設(shè)，我們想到控制理論中反饋控制的特點(diǎn)，其中很重要的一點(diǎn)就是引入負(fù)反饋可以改善系統(tǒng)的線性度。

基于此想法，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電路進(jìn)行模擬量的隔離測(cè)量。

在本電路中，使用了2個(gè)普通光耦器件和2個(gè)運(yùn)算放大器，2個(gè)光耦一個(gè)用于輸出，一個(gè)用于反饋，反饋用來(lái)補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性的非線性。下面我們來(lái)分析一下電路的工作原理。

比較全面地介紹了光耦器件在模擬信號(hào)隔離測(cè)試中的應(yīng)用，并且指出了保證測(cè)試精度需要采取的措施。

如果圖1中2個(gè)光耦選用同一型號(hào)同一批次的產(chǎn)品，那么特性基本一致，即有：K1＝K2
所以：

從上式可以看出，該測(cè)量電路的電壓增益只與電阻R1，R2的阻值有關(guān)，而與光耦的電流傳輸比等特性無(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓信號(hào)的線性隔離。

需要特別指出的是，在圖1所示電路中，必須使用隔離電源。

3　線性光耦器件的應(yīng)用

這里說(shuō)的線性光耦器件有2種：無(wú)反饋型和反饋 型，我們先介紹無(wú)反饋型。
無(wú)反饋型線性光耦器件實(shí)際上是在器件的材料和生產(chǎn)工藝上采取一定措施，使得光耦器件的輸入輸出特性的非線性得到改善。但是，由于發(fā)光二極管和光電三極管的固有特性，改善十分有限。這種光耦器件主要用于對(duì)線性區(qū)的范圍要求不大的情況，例如開(kāi)關(guān)電源的電壓隔離反饋電路中經(jīng)常使用的PC816A和 NEC2501H等線性光耦。

由于開(kāi)關(guān)電源在正常工作時(shí)的電壓調(diào)整率不大，通過(guò)對(duì)反饋電路參數(shù)的適當(dāng)選擇，就可以使光耦器件工作在線性區(qū)。但是，由于這種光耦器件只是在有限的范圍內(nèi)線性度較高，所以不適合使用在對(duì)測(cè)試精度以及范圍要求較高的場(chǎng)合。

另一種線性光耦是反饋型器件，其作用原理與前面介紹過(guò)的普通光耦器件線性化使用的原理類似，只不過(guò)他在生產(chǎn)工藝上采取了一定措施，使同一片器件中的2個(gè)光耦的特性更加趨于一致。這種器件例如德州儀器公司曾經(jīng)出品現(xiàn)已停產(chǎn)的TIL300A，CLARE公司生產(chǎn)的LOC系列線性光耦，惠普公司生產(chǎn)的 HCNR200／201線性光耦等。

圖2所示是一個(gè)采用LOC110線性光耦實(shí)現(xiàn)的隔離放大器。


4　實(shí)際使用中應(yīng)注意的問(wèn)題

對(duì)于單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)而言，如果對(duì)被測(cè)試量的量程（變化范圍）要求較大、精度要求較高時(shí)，使用反饋型線性光耦器件無(wú)疑是比較合適的。

但是，在光耦的線性化使用或者說(shuō)在使用線性光耦器件的過(guò)程中，其線性度往往并不能完全令人滿意。這是為什么呢？根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵在于要充分理解光耦器件自身的一些特點(diǎn)以及在光耦器件中使用反饋機(jī)制改善線性度的原理，只要在設(shè)計(jì)過(guò)程中合理地選擇器件和小心設(shè)計(jì)電路，即使采用我們介紹過(guò)的第一種方法，采用普通光耦器件，也同樣能達(dá)到很好的效果，這里要注意以下幾點(diǎn)：

（1）必須充分認(rèn)識(shí)到光耦為電流驅(qū)動(dòng)型器件，要合理選擇反饋電路中所使用的運(yùn)放，必須保證運(yùn)放擁有合適的負(fù)載能力，以便在正常工作時(shí)驅(qū)動(dòng)光電二極管。

（2）當(dāng)采用普通光耦器件時(shí)，要盡量采用多光耦 器件，而不要采用單光耦器件。因?yàn)槎鄠€(gè)光耦集成在一片芯片上有利于從材料及工藝的角度保證多個(gè)光耦之間特性趨于一致，而正是由于2個(gè)光耦特性的一致才保證了反饋對(duì)改善線性的作用。

（3）由于線性光耦在使用過(guò)程中引入了反饋機(jī)制，所以不適用于被測(cè)信號(hào)變化太快或者頻率很高的場(chǎng)合。

根據(jù)以上原則，我們?cè)群笫褂闷胀ü怦钇骷头答佇途€性光耦器件成功地在電力直流系統(tǒng)監(jiān)控模塊中實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流母線電壓信號(hào)的采集與隔離，其線性度和精度都是令人滿意的。