实例 光耦合器HCNR201在数据采集系统中的应用

光耦合器作为一种比较常见的重要电子元件，在很多电路系统中都能看到它的身影，而在数据采集系统的电路设计中，光耦合器同样是一种不可或缺的重要组成部分。合理利用光耦合器进行光电隔离电路设计，能够有效提升数据采集系统的测量精度。在今天的文章中，小编将会带领大家实例分析一种利用光耦HCNR201所设计的光电隔离电路，来看一下怎样光耦合器在数据采集系统中怎样应用才能达到最优效果。

抗干扰问题是在进行数据采集以及自动化检测时，最让工程师们高度紧张的问题之一了。因为在进行数据采集时，一些电磁干扰信号都会随着被测量信号进入测量系统，这些干扰信号迭加在有用的被测信号上会使测量的准确度降低。另一方面，测量系统与被测信号“共地”引入的干扰也会造成测量系统的不稳定，从而影响微机系统的正常工作。而想要将这些电磁干扰信号隔离在采集信号外，光电隔离是常用且方便有效的隔离方法。

我们这里利用光耦合器HCNR201来进行一种光电隔离电路的设计。这种光耦隔离电路的工作原理，是通过光电之间的相互转换，并利用光作为媒介进行信号传输，在电气上使测量系统与现场信号完全隔离。光电隔离电路的设置，可以减小现场信号线以及地线干扰对系统的影响，保证系统安全。此外，由于光电耦合器的输入阻抗小于干扰源的内阻，因而使迭加于被测量信号上的干扰信号被极大的衰减，从而保证测量的准确度。

图1 数字光隔离放大器

上图中，图1是基于光耦合器HCNR201所设计的一种数字式光耦隔离放大器的电路系统。在应用线性光耦HCNR201构成隔离放大器时，首先应当用一个运算放大器构成一个负反馈放大器，然后利用PD1检测LED的光输出量，并自动调整通过LED的电流，以补偿LED光输出的变化及任何其它原因引起的非线性，因此该反馈放大器主要用于稳定LED的光输出并使其线性化。

除了上面所提到的几点外，在使用HCNR201光耦合器完成光耦隔离电路的设计时，我们还需要一个运算放大器进行电流与电压之间的转换，以便于将输出光敏二极管PD2输出的稳定的、线性变化的电流转换成电压信号并输出。下图中，图2是我们利用HCNR201光耦构成的一个简单隔离放大器的原理图。可以看到，在图2中，运算放大器A1构成负反馈放大电路，运算放大器A2为电流电压转换电路。PD1接在放大器A1的输入端，以完成对LED输出光信号的检测。流经PD1的电流为IPD1=V_in/R1。由此可见，当R1确定后，IPD1只正比于输入电压V_in。当其它因素引起LED的电流IF变化时，PD1的负反馈作用将抑制IF的变化，从而保证了LED输出光强度正比于输入电压V_in。HCNR201在结构设计上可保证照射在两个光敏二极管上光强度的比例为K，因此，当LED发光时，流经两只光敏二极管的电流之比应当为K，即K=IPD2/IPD1。由于A2的输出为V_out=IPD2R2。因此可得到V_out/V_in=KR2/R1。

图2 单极性模拟隔离放大器

图3 双极性输入隔离放大器

从上文中的公式计算和推导可以得出，这种基于光耦合器HCNR201所构成的隔离放大器电路，其输出电压与输入电压之间的关系是线性变化的，而且与LED的输出光强无关。其增益可通过改变R2/R1来调整。R3为LED的限流电阻，C1、C2用于改善电路的高频特性。应当说明，图2所示电路仅适用于单极性信号的隔离放大，而图3所示则是一种双极性隔离放大电路，这种电路同样适用于基于光耦设计的光电隔离电路设计和应用。