HCNR201的正负电压测量

　　1引言

　　在实际信号测量系统中，经常需要对一些恶劣环境下的现场信号进行采集，被采集的信号既可能是数字信号，也可能是模拟信号。为了实现对信号的线性转换而不把现场的噪声干扰采集到测量系统中来，必须将被测信号和测量控制电路在电气上实现隔离，光电隔离法是一种比较常用的方法。本文给出一种利用高精度线性模拟光耦器件HCNR201光电隔离法对模拟负电压信号进行采集的电路。并通过实验证明了此方法的正确性。

　　2 HCNR201的基本原理

　　HCNR201的内部结构如图1中所示，包括一只高性能的 A1GaAs型发光二极管f图1中的LED）、两只极其相似的光电二极管f图1中的PDl和PD2）。当LED中流过电流IF时，其所发出的光会在PDl和PD2中感应出正比于LED发光强度的光电流I。。和I。。由于PDl和PD2的特性非常相似，再加上安装位置的精确性以及元件先进的封装设计保证了该元件的高线性度和增益的稳定性，使得

　　IPD2=K·Iml （1）

　　（其中K为常数约等于1，当芯片制作完成后随之确定）。用该芯片设计电路对电压进行线性测量时使用的就是这一特性。

　　

　　3负电压测量电路设计

　　图2给出了实际测量负电压的硬件电路。电路中将PDl引入电路是为了使的电路形成完整的闭环电路。从而达到形成负反馈、稳定电路性能的效果。

　　电路中的运放使用的是OPA2340（单电源供电，供电电压范围2．7～5V，满量程输出）；电阻R。起限流作用一般为几百欧姆；电容C用来滤波，可根据被测信号的频率的不同选定；电阻 R，、R：用来对对输入电压分压，调整不同的阻值可以得到不同的测量范围。设分压系数为K。，则：

　　

　　由于运放的供电电压的限制，V。必须小于供电电压，实际应用时可根据实际被测模拟量的范围合理选R。、R：的阻值。根据“虚短”和“虚断”原理可知：流过电阻R，的电流Ii=V。／ R，，即流过光电管PDl的电流

　　

　　其中12为流过R5的电流由“虚断”原理 bI。；K2为由于两端供电电压的不同引起的比例系数，当两端供电电压确定后K2为一常数

　　由于（6）式中的K、R。、R：、R3、R5均为常数，所以输出电压 与输入电压成正比。并且调整电阻R3、R5的阻值可以调整被测 表1输入一输出电压比较表量模拟量的范围；调整电阻K、K2的阻值可以得到不同的电压放大倍数；当芯片以及供电电压确定后、也随之确定为常量，所以，此电路设计可以实现输入与输出的线性变化，经过标定后能准确测得输入模拟量的值。

　　4正电压测量电路设计

　　正向模拟量的测量电路的设计基础与负向模拟量测量电路一样，都是应用了PDl和PD2特性相似的特点。只是由于被测量的性质使的电路的电流方向的反向．从而导致了连线方式不同，实际电路设计如图3所示。运用的负反馈原理与负向测量电路完全一样。图中的VCC是前端运放的供电电压。

　　

　　5实验结果分析

　　由于正、负电压测量的原理基本相同。数据的处理方法也基本相同，因此只对负电压测量电路进行的数据处理。

　　笔者假设有一被测量电压值约为一28V，测试系统根据要求选择电路参数为：输入输出端运放供电电压均为3．3V；各电阻阻值依次为：Rl=12K12、R2=IKD。、R，=200Kfl、R4=200n、R5= 200Kfl：电容C，=10pF。测得的数据如

　　表1所示，用On‘gin软件处理实验数据（输入电压绝对值与输出的关系）如图3所示。

　　

　　图3中点表示电压输入输出对应点：黑线为电压输入输出点的平滑连接线；红线为校正曲线。由图中可以看出，当输入电压小于10V时．输出电压值偏大，其线性度很差；输入电压在 10—40V之间时，输出电压有很好的线性．其线性误差小于 0．3％。

　　由以上数据及处理结果可知：当输出电压大于1V，小于运放供电电压（改电路为3．3v）时，输出与输入之间有较好的线性关系。因此在精度要求大于0．01V的负电压测量中，用户可以根据被测电压量的大约范围，设定电路中的各电阻值，使的输 出电压大于1V，从而实现电压的准确测量。

　　

　　6结论

　　本文给出了利用高精度线性模拟光耦器件HCNR201进行模拟电压电气隔离的基本原理和硬件电路，并用试验的方法验证了该方法的可行性和正确性。用本电路进行实验得到的结果证明，该方法测量电压线性度好，测量精度高，适用于模拟信号的检测系统。