0 引言
在自動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將一些現(xiàn)場信號采集到單片機中，被采集的信號既可能是數(shù)字信號，也可能是模擬信號。為了實現(xiàn)電平線性轉(zhuǎn)換以及不把現(xiàn)場的電噪聲干擾引入到以DSP數(shù)字微處理器為核心的控制系統(tǒng)中來，必須將被測電路和控制電路在電氣上實現(xiàn)隔離，光電隔離法是常用的方法。本文給出一種利用光電隔離法對模擬電壓信號進行采集的電路，電路中使用了VISHAY公司的IL300-F-X009高精度線性模擬光耦器件，文中對其工作原理進行了介紹，并通過試驗證明了此方法的精確性。
1 IL300-F-X009線性光耦隔離原理
線性光耦I(lǐng)L300-F-X009內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。IL300-F-X009由一個高性能發(fā)光二極管LED和兩個相鄰匹配的光敏二極管PD1和PD2組成，這兩個光敏二極管有完全相同的性能參數(shù)。LED是隔離信號的輸入端，當(dāng)有電流流過時就會發(fā)光，兩個光敏二極管在有光照射時就會產(chǎn)生光電流，IL300-F-X009的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)使得PD1和PD2都能從LED得到近似光照，且感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強度的光電流。光敏二極管PD1起負反饋作用，用于消除LED的非線性和偏差特性帶來的誤差，改善輸入與輸出電路間的線性和溫度特性，穩(wěn)定電路性能。光敏二極管PD2是線性光耦的輸出端，接收由LED發(fā)出的光線而產(chǎn)生與光強成正比的輸出電流，達到輸入及輸出電路間電流隔離的作用。正是IL300-F-X009內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)、PD1與PD2的嚴格比例關(guān)系及PD1負反饋的作用保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。
當(dāng)IL300-F-X009內(nèi)部的LED中流過電流IF時，其所發(fā)出的光會在PD1和PD2中感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強度的光電流Ip1和Ip2，其中IF、Ip1、Ip2滿足以下關(guān)系式：
式(1)中K1、K2分別為輸入、輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值均為0．7％左右。IF的范圍在5 mA～20 mA之間，能夠獲得最好的線性關(guān)系。此時Ip1和Ip2的電流一般在200μA以下。K3被定義為傳輸增益，其輸出側(cè)光電流(Ip2)和輸入側(cè)光電流(Ip1)之比是一個恒定值，IL300-F-X009的傳輸增益K3的范圍在0．945～1．061倍之間。PD1接入到輸入電路，用來檢測和穩(wěn)定發(fā)光二極管發(fā)光的強度，PD2作為輸出電路的一部分與測量電路實現(xiàn)了電氣隔離。PD1和PD2安裝位置的精確性以及元件先進的封裝設(shè)計保證了該元件的高線性性和增益的穩(wěn)定性。IL3 00-F-X009的最大非線性有±0．5％，最大輸入電流250 mA，是模擬信號隔離的極佳解決方案。
2 線性光耦I(lǐng)L300-F-X009隔離電路
2．1 工作原理
如圖2所示，IL300-F-X009的LED、PD1及運放U1等組成隔離電路的輸入部分，PD2及運放U2等組成隔離電路的輸出部分。隔離電路輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vout，發(fā)光二極管LED上電流為IF，光敏二極管PD1上產(chǎn)生的電流為Ip1，光敏二極管PD2上產(chǎn)生的電流為而Ip2。
圖2隔離電路中PD1形成了負反饋，當(dāng)電壓Vin輸入時，運放U1的輸出使LED上有電流IF流過，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，并驅(qū)動LED發(fā)光把電信號轉(zhuǎn)變成光信號。LED發(fā)出的光被PD1探測到并產(chǎn)生光電流Ip1。根據(jù)運算放大器“虛斷路”和“虛短路”特性，輸入電壓Vin也會產(chǎn)生電流流過R1，Ip1=Vin／R1，Ip1取決于輸入電壓Vin和R1的值。LED發(fā)出的光同時照射在兩個光敏二極管上PD1和PD2，由式(1)可得到：Ip2=K3×Ip1，K3的范圍在0．945～1．061倍之間。運放U3和電阻R2把Ip2轉(zhuǎn)變成輸出電壓Vout，Vout=Ip2×R2，組合上面的3個等式得到輸出電壓Vout和輸入電壓Vin的關(guān)系：Vout／Vin=K3·R2／R1。電容C1為反饋電容，消除噪聲干擾，提高電路的穩(wěn)定性。因此，輸出電壓Vout具有穩(wěn)定性和線性，其增益可通過調(diào)整R2與R1的值來實現(xiàn)。
2．2 線性光耦(IL300-F-X009)的應(yīng)用
本文將線性光耦(IL300-F-X009)隔離電路應(yīng)用于檢測永磁同步交流電機母線電流，如圖3所示。霍爾傳感器電路采用ACS712元件，ACS7 12是常用的電流傳感器元件，其輸出電壓與輸入電流為正比例關(guān)系，只要測出ACS712的電壓輸出值即可換算出被測永磁同步交流電機母線的電流值。霍爾傳感器電路(ACS712)將永磁同步交流電機母線的電流值變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后傳輸給DSP數(shù)值信號處理器解算出永磁同步交流電機母線的電流。采用線性光耦隔離電路對霍爾傳感器電路檢測永磁同步交流電機母線電流進行隔離，防止外界干擾的同時，還達到高精度的傳輸測量信號，即隔離電路前后電壓一致，滿足實際應(yīng)用的要求。實驗電路原理圖如圖3所示。
2．3 確定線性光耦隔離電路的參數(shù)值
本試驗選取VCC和VDD都為+5 V，但不共地的電源電壓，Vin的輸入電壓范圍0 V～5 V，Vout的輸出電壓范圍0 V～5 V，如圖2所示。根據(jù)IL300芯片手冊說明，如圖4和圖5所示，可知，在環(huán)境溫度為25℃，流過IL300-F-X009內(nèi)的發(fā)光二極管LED的正向電流為IF=10 mA時，其傳輸增益K3=1，發(fā)光二極管LED的正向電壓VF=1．25 V。設(shè)輸入電壓Vin=5 V，則第一級運放LM358輸出的電壓V1=5 V，因此，由以上分析可以計算出R2的電阻值。
根據(jù)IL300芯片手冊說明，如圖6所示，可知，在環(huán)境溫度為25℃，當(dāng)流過IL300-F-X009內(nèi)的發(fā)光二極管LED的電流IF=10 mA時，則Ip1= 70μA，此時，V2=Vin=5 V，因此，可以計算出R1的電阻值。由式(1)可知，要實現(xiàn)Vout=Vin，那么R3=R1。
3 結(jié)論
本文所設(shè)計的電壓檢測隔離電路用于對5 V以下電壓進行檢測與隔離，通過多次實驗比較，最后，選取R1=50 kΩ、R2=240 Ω和R3=50 kΩ，可在較大程度上提高檢測電路的精確性，此電壓檢測隔離電路基本實現(xiàn)了Vout與Vin相等。由表1可看出，相對誤差均在-0．5％～+0．5％范圍內(nèi)。通過實驗測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，線性光耦I(lǐng)L300-F-X009隔離電路有很好的穩(wěn)定性和線性。
本文介紹了利用線性光耦器件IL300-F-X009進行模擬電壓電氣隔離的基本原理和硬件電路。由本電路的測量數(shù)據(jù)結(jié)果證明，該方法測量電壓線性度好，精度高，適合應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中模擬信號的檢測。