光耦的線性化與線性光耦器件的應用

1　引　言

在單片機測試系統的設計過程中，被測試對象信號的隔離對整個系統的正常工作具有重要作用。這里主要有兩方面的考慮：

（1）保護被測試對象和測試電路，使其不會因為被測試對象或測試電路的故障而影響整個系統的工作。

（2）減小環境干擾對測試電路的影響。為保護后級設備、保證測量結果的有效性，測試電路與被測電路必須做到嚴格的電氣隔離。

光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應用于輸入和輸出信號的電氣隔離。但是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進行隔離傳輸時，由于光電耦合器內部發光二級管和光敏三級管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區”實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，一般來講，光耦器件主要應用于數字信號的隔離，而較少用于模擬信號的隔離。

目前對于模擬電信號的隔離主要有2種方法：一種是采用諸如霍爾器件等特殊傳感器，但其價格較貴；另一種是首先進行A／D轉換或V／F轉換，再用光耦進行隔離的方法，但處理過程較為復雜，并且不能使用單片機內置的A／D口。如果能夠使用光耦器件完成對模擬信號的隔離，無疑是很有意義的。

2　普通光耦器件的線性化使用

光電耦合器由發光器和受光器2部分組成，發光器是一個發光二級管，受光器是一個光敏三級管，二者密封在同一管殼內。當受光器接受光照時，產生電流輸出。由于電信號以光線為傳輸介質，因而實現了輸入和輸出信號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模擬信號進行隔離傳輸時，由于光電耦合器內部發光二級管和光敏三級管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區”實際上存在一定程度的非線性失真。

可以設想，如果采取措施使光耦器件的非線性問題得以改善，那么利用光耦進行模擬信號的隔離是可能的。根據以上假設，我們想到控制理論中反饋控制的特點，其中很重要的一點就是引入負反饋可以改善系統的線性度。

基于此想法，設計了如圖1所示的電路進行模擬量的隔離測量。

在本電路中，使用了2個普通光耦器件和2個運算放大器，2個光耦一個用于輸出，一個用于反饋，反饋用來補償發光二極管時間、溫度特性的非線性。下面我們來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隔離測試中的應用，并且指出了保證測試精度需要采取的措施。

如果圖1中2個光耦選用同一型號同一批次的產品，那么特性基本一致，即有：K1＝K2
所以：

從上式可以看出，該測量電路的電壓增益只與電阻R1，R2的阻值有關，而與光耦的電流傳輸比等特性無關，從而實現了對電壓信號的線性隔離。

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　線性光耦器件的應用

這里說的線性光耦器件有2種：無反饋型和反饋 型，我們先介紹無反饋型。
無反饋型線性光耦器件實際上是在器件的材料和生產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線性區的范圍要求不大的情況，例如開關電源的電壓隔離反饋電路中經常使用的PC816A和 NEC2501H等線性光耦。

由于開關電源在正常工作時的電壓調整率不大，通過對反饋電路參數的適當選擇，就可以使光耦器件工作在線性區。但是，由于這種光耦器件只是在有限的范圍內線性度較高，所以不適合使用在對測試精度以及范圍要求較高的場合。

另一種線性光耦是反饋型器件，其作用原理與前面介紹過的普通光耦器件線性化使用的原理類似，只不過他在生產工藝上采取了一定措施，使同一片器件中的2個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出品現已停產的TIL300A，CLARE公司生產的LOC系列線性光耦，惠普公司生產的 HCNR200／201線性光耦等。

圖2所示是一個采用LOC110線性光耦實現的隔離放大器。


4　實際使用中應注意的問題

對于單片機測試系統而言，如果對被測試量的量程（變化范圍）要求較大、精度要求較高時，使用反饋型線性光耦器件無疑是比較合適的。

但是，在光耦的線性化使用或者說在使用線性光耦器件的過程中，其線性度往往并不能完全令人滿意。這是為什么呢？根據我們的實踐經驗，關鍵在于要充分理解光耦器件自身的一些特點以及在光耦器件中使用反饋機制改善線性度的原理，只要在設計過程中合理地選擇器件和小心設計電路，即使采用我們介紹過的第一種方法，采用普通光耦器件，也同樣能達到很好的效果，這里要注意以下幾點：

（1）必須充分認識到光耦為電流驅動型器件，要合理選擇反饋電路中所使用的運放，必須保證運放擁有合適的負載能力，以便在正常工作時驅動光電二極管。

（2）當采用普通光耦器件時，要盡量采用多光耦 器件，而不要采用單光耦器件。因為多個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光耦之間特性趨于一致，而正是由于2個光耦特性的一致才保證了反饋對改善線性的作用。

（3）由于線性光耦在使用過程中引入了反饋機制，所以不適用于被測信號變化太快或者頻率很高的場合。

根據以上原則，我們曾先后使用普通光耦器件和反饋型線性光耦器件成功地在電力直流系統監控模塊中實現了對直流母線電壓信號的采集與隔離，其線性度和精度都是令人滿意的。