引 言
在工业丈量和操控体系中，为避免外界的各种搅扰，有必要将丈量体系和核算机体系进行电气阻隔。常用的阻隔办法有变压器阻隔、电容耦合阻隔和光耦阻隔。与变压器阻隔、电容耦合阻隔比较，光耦体积小，价格便宜，阻隔电路简略且能够彻底消除前后级的彼此搅扰，具有更强的抗搅扰才能。
关于数字信号的阻隔，运用一般的光耦器材阻隔就能到达很好的作用。但是一般的光耦具有较大的非线性电流传输特性且受温度改变的影响较大，关于模仿信号的传输其精度和线性度难以满意体系要求。为了能更准确地传送模仿信号，用线性光耦阻隔是最好的挑选。线性光耦输出信号随输入信号改变而成份额改变，它为模仿信号传输中阻隔电路的简略化、高精度化带来了便利。
本文以avago公司的hcnr201线性光耦为例阐明线性光耦的内部原理及阻隔电路的原理。
2 hcnr201线性光耦阻隔原理
线性光耦hcnr201内部结构原理如图1所示。hcnr201由一个高功能发光二极管led和两个相邻匹配的光敏二极管pd1和pd2组成，这两个光敏二极管有彻底相同的功能参数。led是阻隔信号的输入端，当有电流流过期就会发光，两个光敏二极管在有光照耀时就会发生光电流，hcnr201的内部封装结构使得pd1和pd2都能从led得到近似光照，且感应出正比于led发光强度的光电流。光敏二极管pd1起负反应作用用于消除led的非线性和差错特性带来的差错，改进输入与输出电路间的线性和温度特性，安稳电路功能。光敏二极管pd2是线性光耦的输出端，接纳由led宣布的光线而发生与光强成正比的输出电流，到达输入及输出电路间电流阻隔的作用。正是hncnr201内部的封装结构、pd1与pd2的严厉份额联系及pd1负反应的作用确保了线性光耦的高安稳性和高线性度。
图1 线性光耦hcnr201内部结构
3 线性光耦hcnr201阻隔电路
3.1 作业原理
hcnr201的led、pd1及运放a1等组成阻隔电路的输入部分，pd2及运放a2等组成阻隔电路的输出部分。设阻隔电路输入电压为vin，输出电压为vout，led上电流为if，二极管pd1上发生的电流为ipd1，二极管pd2上发生的电流为ipd2，如图2所示。
图2 线性光耦hcnr201模仿电压阻隔电路
阻隔电路中pd1形成了负反应，当有电压vin输入时，运放a1的输出使led上有电流if流过，且输入电压的改变体现在电流if上，并驱动led发光把电信号转变成光信号。led宣布的光被pd1探测到并发生光电流ipd1。一起，输入电压vin也会发生电流流过r1。假定a1是抱负运放，则没有电流流入a1的输入端，流过r1的电流将会流过pd1到地，因而，ipd1=vin/r1。留意，ipd1只取决于输入电压vin和r1的值，与led的光输出特性无关。又因led宣布的光一起照耀在两个光敏二极管上，且pd1和pd2彻底相同的，抱负状况下ipd2应该等于ipd1。界说一个系数k，有ipd1=kipd2，k约为1±5%(当芯片制造完成后随之确认)。运放a2和电阻r2把ipd2转变成输出电压vout，有vout=ipd2r2，组合上面的3个方程得到输出电压和输入电压联系：vout/vin=kr2/r1，因而，输出电压vout具有安稳性和线性，其增益可经过调整r2与r1的值来完成，一般取r1和r2的值相同。
阻隔电路中电阻r1起限流作用。r3用于操控led的发光强度，从而对操控通道增益起必定作用。电容c1、c2为反应电容，用于进步电路的安稳性。运算放大器a1的作用是把电压信号转变成电流信号，运算放大器a2的作用是把光耦输出的电流信号转变为电压信号，并增强负载驱动才能。
3.2 留意事项
(1) 要完成信号的彻底阻隔，不只信号自身要阻隔，供应阻隔前后电路作业的电源也需求阻隔。电路中前后级运放选用了独立的电源供电，起到阻隔搅扰的作用。
(2) 因为线性光耦引进反应机制，所以阻隔电路不适用于被测信号改变太快或频率很高的场合
阻隔电路在pt100电路中的运用及试验剖析
4.1 试验条件
本试验将线性光耦hcnr201阻隔电路运用于pt100测温电路中。pt100铂电阻是一种常用的温度传感器，其电阻值与环境温度呈现挨近线性的联系，只需测出pt100的阻值即可换算出被测温度值。pt100测温电路将pt100铂电阻阻值的改变转化为电压信号，经过a/d转化后传输给单片机体系处理成果来取得丈量温度值。选用线性光耦阻隔电路对pt100测温电路进行阻隔，避免外界搅扰的一起，为确保温度丈量成果的准确性，还有必要到达高精度的传输丈量信号，即阻隔电路前后电压共同，才满意实践运用的要求。试验电路原理图如图3所示。
图3 pt100测温电路阻隔原理图
4.2 电路参数值的选取
(1) 运算放大器的选取
线性光耦hcnr201为电流驱动型器材，其led的作业电流为1ma～40ma，运放器的选取有必要确保其输出电流有满足的驱动才能驱动led二极管。电路选用运放lmv321,其输出电流可达40ma。
(2) 电阻参数的选取
为了确保传输精度，外围元件应挑选安稳性较好的器材。电阻选用精度为1‰的金属膜电阻。电阻的选型需求考虑运放的线性规模和线性光耦的最大作业电流ifmax。假定确认vcc1=5v，pt100测温电路的输入电压在0~5v之间，阻隔电路输出电压等于输入电压。下面给出参数确认的进程。
●确认if：hcnr201是电流驱动型，其led的作业电流if要求为1~40ma，芯片手册引荐作业电流为25ma，因而，此处取if=25ma。
●确认r3/r3=vcc1/if=5/0.025=200ω，且精度为千分之一。
●确认r1：依据芯片手册阐明当5na
●确认r2：取r2=r1=100kω，且精度为千分之一。
●电容的选取：依据芯片手册引荐，取c1=c2=0.001uf 为经历取值。
综上所述，运放a1、a2为lmv321m5；r1=r2=100kω；r3=200ω；c1= c2=0.001μf。
4.3 试验数据丈量及剖析
阻隔电路运用于pt100测验电路中，阻隔前端输入经pt100电路丈量后输入的电压值。阻隔前、后电压值由校验仪ca71测得，并经过matlab绘出比照图形。部分丈量数据见附表，matlab制作图形如图4所示。
附表 试验数据
图4 matlab制作曲线图
图4中直线为抱负成果，虚线为实践成果。
经过试验丈量数据能够发现：线性光耦阻隔电路有很好的安稳性和线性，且输入电压为1.5v到2v之间时传输精度作用最佳。需求清晰，选用线性光耦阻隔电路进行阻隔必定会导致模仿电压的传输发生必定的差错，若丈量电路对电压精度要求不高，运用线性光耦进行阻隔能够到达十分好的作用，但是，关于pt100测温电路而言，在200℃时，电压差错在0.1~0.2v，这样会使得温度丈量差错最大到达10℃左右。这样的差错关于pt100测温是不允许的，在这种对传输精度要求很高的电路里，进步精度的卓有成效的解决办法便是经过单片机软件处理对数据进行差错批改
5 软件批改进步精度
由试验可知，选用阻隔电路进行阻隔必定会使模仿电压传输发生必定的差错，但线性光耦的特性决议了其输出具有很好的线性度，能够使用这点经过单片机软件进行差错的批改。
批改办法：针对阻隔电路运用的场合清晰阻隔电压的规模，然后向阻隔电路供给阻隔电压的两个值，界说这两个极值为批改值，并经过单片机读出收集到的批改值的实丈量值，经过输入值和实测值之间的差值，就能够经过批改算法，求出恣意丈量值实践对应的输入值。
图5 坐标系示意图
5.1 批改算法
设x轴上各点为单片机实践测得数值，直线l上各点为线性光耦前输入值。设直线l上 a，b两点为批改值，其对应于x轴的a1、b1为单片机实践丈量值，则可核算出a点和b点的差错别离为a=a-a1，b=b-b1，c1为单片机收集到恣意值，若能求得差错c的值，经过批改核算c1+c即为c1的抱负值c。
经过份额联系可得：
差错批改：c= c1+c；
即 
针对pt100测温电路的具体做法：测温规模为-50℃~200℃，选取两个基准点如0℃和150℃，经过校验仪ca71向测温电路输入0℃和150℃，别离丈量这两个点的丈量值并核算实践丈量值与抱负值间的差错。在实践丈量中经过批改算法使用这两个差错经过公式算出其它各点的差错值，再对实践丈量值进行批改。试验证明进行批改后温度差错能够准确到1~2℃以内。
5.2 留意事项
(1) 丈量数据选用中值滤波法进行处理。
为了进步丈量精度，选用数字滤波技能的中值滤波法对丈量数据进行处理。即每次收集n个值，去除其间的最大值和最小值而取剩下的n-2个数值的平均值，这样可避免遭到突发性脉冲搅扰的数据进入。
(2) 试验中发现线性光耦阻隔电路会随着上电时刻的继续呈现阻隔后的电压毫伏级的减低的状况。大约30分钟后趋于安稳。因而，将电路上电运转一段时刻后再进行校准，精度更高。
6 结束语
本文剖析了线性光耦hcnr201进行模仿电压电气阻隔的基本原理和阻隔电路，并给出了卓有成效的软件算法来进步丈量电路精度。试验标明阻隔电路经过批改后精度十分高，十分合适运用于对模仿电压精度要求很高的检测体系。
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