信號隔離器的設計

張筱綺

【摘 要】 針對自動激光測厚系統中存在的地環流干擾、自然干擾以及電磁干擾等干擾源，本文設計了一種基于高線性模擬光耦HCNR2000的信號隔離器。

【關鍵詞】 信號隔離器 線性光耦HCNR20

1 方案設計

由計算機或微處理器控制的智能電子系統中，各部分的電氣特性差別很大，為了避免數字或模擬信號在傳送時出現的穿越發送以及接收端之間屏障的電流連接，采用了信號隔離器。信號隔離器使接收端和發送端的地或基準電平的差值達到數千伏，而且能夠有效防止損害信號的不同地電位產生的環路電流。

針對自動激光測厚系統中的干擾來源，本文設計了一款線性信號隔離器。信號隔離器由開關電源部分和高精度電壓測量部分兩部分組成，如圖1所示。其中，開關電源是反激式開關穩壓電源，以TinySwitch系列的線性穩壓芯片TNY254為核心，對輔助回路穩壓，具有很高的負載調整率和電壓調整率；高精度電壓測量部分采用線性光耦HCNR200，以隔離地環流，抑制干擾。

2 硬件電路設計

結合自動激光測厚技術的實際要求，信號隔離器的隔離強度為2000V，直流電壓輸入，直流電壓輸出，使用的輔助電源為AC/DC20-265V，變送精度為±0.1%，低功耗。本文假設輸入的電壓信號均為標準的工業電壓信號，即200mV-12。

2.1 輸入模塊

信號隔離器的隔離性能在很大程度上取決于輸入級采用的運算放大器。輸入模塊接收傳感器采集的電信號，進行濾波、放大。濾波器和放大電路的設計如圖2所示。

輸入的電壓信號，經單運放CA314放大，通常此時的放大比略大于1，因此反饋電阻R13取值為100歐姆，之后電壓信號一分為二，分別經過電壓跟隨器以及放大電路進行濾波放大。濾波，是為了將交流成分去除，保留直流成分。電容可將交流成分短路，如：同相輸入端接入的C1，接在輸出端與反相輸入端之間的C2。C2實際上是深度的交流負反饋，以防止交流成分放大。如果深度的交流負反饋很深，交流信號會減弱甚至接近于零。

輸入200mV電壓時，經第一次放大，電壓略大于200mV。為了消除交流干擾，將電容接在運放的輸入端和輸出端，形成反饋。經第二次放大，電壓放大為5.798V。第二次放大，是為了HCNR200能正常工作。此外，輸入模塊中，信號已經分成兩路分別隔離，而且兩電路之間的地有電容，以防止兩路輸出相互干擾。兩路結構完全相同，以下分析均只分析一路。

2.2 隔離模塊

隔離模塊的隔離功能選用線性光耦HCNR200來實現。HCNR200是一種模擬光耦合器件，具有高線性度，由一個高性能的ALGaAS LED和兩個與ALGaAS LED匹配的光敏二極管組成。設計電路如圖3所示。在輸入電壓信號作用下，流過ALGaAS LED的電流隨之變化，而且與流過兩個光敏二極管的電流成嚴格的比例關系，那么輸出端電壓也會隨輸入電壓的變化而變化。

理論計算有：

（1-1）

由式1-1可知，改變電阻值可以實現不同放大倍數的測量電路。

2.3 輸出模塊

為保證輸出模塊的精度，輸出模塊作為隔離模塊的后續，只需加一個電壓跟隨器，通過斷開負反饋回路，消除大環路負反饋帶來的弊端，輸出模塊可以根據負載的大小動態調整輸出功率，從而減小自身的發熱。在multisim10.0中進行測試，測試電路圖如圖4所示。

3 結語

本文設計的信號隔離器具有工作穩定，隔離效果好，成本低等優點，可以廣泛用在工業測量，特別是精密測量和實時精確控制系統中。endprint

【摘 要】 針對自動激光測厚系統中存在的地環流干擾、自然干擾以及電磁干擾等干擾源，本文設計了一種基于高線性模擬光耦HCNR2000的信號隔離器。

【關鍵詞】 信號隔離器 線性光耦HCNR20

1 方案設計

由計算機或微處理器控制的智能電子系統中，各部分的電氣特性差別很大，為了避免數字或模擬信號在傳送時出現的穿越發送以及接收端之間屏障的電流連接，采用了信號隔離器。信號隔離器使接收端和發送端的地或基準電平的差值達到數千伏，而且能夠有效防止損害信號的不同地電位產生的環路電流。

針對自動激光測厚系統中的干擾來源，本文設計了一款線性信號隔離器。信號隔離器由開關電源部分和高精度電壓測量部分兩部分組成，如圖1所示。其中，開關電源是反激式開關穩壓電源，以TinySwitch系列的線性穩壓芯片TNY254為核心，對輔助回路穩壓，具有很高的負載調整率和電壓調整率；高精度電壓測量部分采用線性光耦HCNR200，以隔離地環流，抑制干擾。

2 硬件電路設計

結合自動激光測厚技術的實際要求，信號隔離器的隔離強度為2000V，直流電壓輸入，直流電壓輸出，使用的輔助電源為AC/DC20-265V，變送精度為±0.1%，低功耗。本文假設輸入的電壓信號均為標準的工業電壓信號，即200mV-12。

2.1 輸入模塊

信號隔離器的隔離性能在很大程度上取決于輸入級采用的運算放大器。輸入模塊接收傳感器采集的電信號，進行濾波、放大。濾波器和放大電路的設計如圖2所示。

輸入的電壓信號，經單運放CA314放大，通常此時的放大比略大于1，因此反饋電阻R13取值為100歐姆，之后電壓信號一分為二，分別經過電壓跟隨器以及放大電路進行濾波放大。濾波，是為了將交流成分去除，保留直流成分。電容可將交流成分短路，如：同相輸入端接入的C1，接在輸出端與反相輸入端之間的C2。C2實際上是深度的交流負反饋，以防止交流成分放大。如果深度的交流負反饋很深，交流信號會減弱甚至接近于零。

輸入200mV電壓時，經第一次放大，電壓略大于200mV。為了消除交流干擾，將電容接在運放的輸入端和輸出端，形成反饋。經第二次放大，電壓放大為5.798V。第二次放大，是為了HCNR200能正常工作。此外，輸入模塊中，信號已經分成兩路分別隔離，而且兩電路之間的地有電容，以防止兩路輸出相互干擾。兩路結構完全相同，以下分析均只分析一路。

2.2 隔離模塊

隔離模塊的隔離功能選用線性光耦HCNR200來實現。HCNR200是一種模擬光耦合器件，具有高線性度，由一個高性能的ALGaAS LED和兩個與ALGaAS LED匹配的光敏二極管組成。設計電路如圖3所示。在輸入電壓信號作用下，流過ALGaAS LED的電流隨之變化，而且與流過兩個光敏二極管的電流成嚴格的比例關系，那么輸出端電壓也會隨輸入電壓的變化而變化。

理論計算有：

（1-1）

由式1-1可知，改變電阻值可以實現不同放大倍數的測量電路。

2.3 輸出模塊

為保證輸出模塊的精度，輸出模塊作為隔離模塊的后續，只需加一個電壓跟隨器，通過斷開負反饋回路，消除大環路負反饋帶來的弊端，輸出模塊可以根據負載的大小動態調整輸出功率，從而減小自身的發熱。在multisim10.0中進行測試，測試電路圖如圖4所示。

3 結語

本文設計的信號隔離器具有工作穩定，隔離效果好，成本低等優點，可以廣泛用在工業測量，特別是精密測量和實時精確控制系統中。endprint

【摘 要】 針對自動激光測厚系統中存在的地環流干擾、自然干擾以及電磁干擾等干擾源，本文設計了一種基于高線性模擬光耦HCNR2000的信號隔離器。

【關鍵詞】 信號隔離器 線性光耦HCNR20

1 方案設計

由計算機或微處理器控制的智能電子系統中，各部分的電氣特性差別很大，為了避免數字或模擬信號在傳送時出現的穿越發送以及接收端之間屏障的電流連接，采用了信號隔離器。信號隔離器使接收端和發送端的地或基準電平的差值達到數千伏，而且能夠有效防止損害信號的不同地電位產生的環路電流。

針對自動激光測厚系統中的干擾來源，本文設計了一款線性信號隔離器。信號隔離器由開關電源部分和高精度電壓測量部分兩部分組成，如圖1所示。其中，開關電源是反激式開關穩壓電源，以TinySwitch系列的線性穩壓芯片TNY254為核心，對輔助回路穩壓，具有很高的負載調整率和電壓調整率；高精度電壓測量部分采用線性光耦HCNR200，以隔離地環流，抑制干擾。

2 硬件電路設計

結合自動激光測厚技術的實際要求，信號隔離器的隔離強度為2000V，直流電壓輸入，直流電壓輸出，使用的輔助電源為AC/DC20-265V，變送精度為±0.1%，低功耗。本文假設輸入的電壓信號均為標準的工業電壓信號，即200mV-12。

2.1 輸入模塊

信號隔離器的隔離性能在很大程度上取決于輸入級采用的運算放大器。輸入模塊接收傳感器采集的電信號，進行濾波、放大。濾波器和放大電路的設計如圖2所示。

輸入的電壓信號，經單運放CA314放大，通常此時的放大比略大于1，因此反饋電阻R13取值為100歐姆，之后電壓信號一分為二，分別經過電壓跟隨器以及放大電路進行濾波放大。濾波，是為了將交流成分去除，保留直流成分。電容可將交流成分短路，如：同相輸入端接入的C1，接在輸出端與反相輸入端之間的C2。C2實際上是深度的交流負反饋，以防止交流成分放大。如果深度的交流負反饋很深，交流信號會減弱甚至接近于零。

輸入200mV電壓時，經第一次放大，電壓略大于200mV。為了消除交流干擾，將電容接在運放的輸入端和輸出端，形成反饋。經第二次放大，電壓放大為5.798V。第二次放大，是為了HCNR200能正常工作。此外，輸入模塊中，信號已經分成兩路分別隔離，而且兩電路之間的地有電容，以防止兩路輸出相互干擾。兩路結構完全相同，以下分析均只分析一路。

2.2 隔離模塊

隔離模塊的隔離功能選用線性光耦HCNR200來實現。HCNR200是一種模擬光耦合器件，具有高線性度，由一個高性能的ALGaAS LED和兩個與ALGaAS LED匹配的光敏二極管組成。設計電路如圖3所示。在輸入電壓信號作用下，流過ALGaAS LED的電流隨之變化，而且與流過兩個光敏二極管的電流成嚴格的比例關系，那么輸出端電壓也會隨輸入電壓的變化而變化。

理論計算有：

（1-1）

由式1-1可知，改變電阻值可以實現不同放大倍數的測量電路。

2.3 輸出模塊

為保證輸出模塊的精度，輸出模塊作為隔離模塊的后續，只需加一個電壓跟隨器，通過斷開負反饋回路，消除大環路負反饋帶來的弊端，輸出模塊可以根據負載的大小動態調整輸出功率，從而減小自身的發熱。在multisim10.0中進行測試，測試電路圖如圖4所示。

3 結語

本文設計的信號隔離器具有工作穩定，隔離效果好，成本低等優點，可以廣泛用在工業測量，特別是精密測量和實時精確控制系統中。endprint