第24卷第6期Vol. 24,No. 6光电技术应用
2009年12月EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION December. 2009
・电路与控制・
基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离电路
杨居朋1,2, 王军民1,3, 刘迪仁1,3
(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室, 湖北 荆州 434023;2. 长江大学电子信息学院, 湖北 荆州 434023;
3. 长江大学地球物理与石油资源学院, 湖北 荆州 434023)
摘 要:在瞬变电磁勘探中, 气隔离, 那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁. 路, 并介绍了高精度线性光耦器件, 该电路具有良好的线性度、准确度和适用性.
关键词:; 中图分类号:T文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2009) 06-0051-04
Design of Isolated Circuit of Bipolar Signal B ased
on Linear Optocoupler HCNR 201
YAN G J u 2peng 1,2, WAN G J un 2min 1,3, L IU Di 2ren 1,3
(1Key L aboratory of Ex ploration Technologies f or Oiland Gas Resources , M O E (Yangtze U niversity ) , Jingz hou 434023, China ; 2School of Elect ronics and Inf orm ation , Yangtze U niversity , Jingz hou 434023, China ;
3School of Geophysics and Oil Resources , Yangtze U niversity , Jingz hou 434023, China )
Abstract :Data acquisition in transient electromagnetic method (TEM ) is in a high voltage and strong elec 2tromagnetic field. If there is not electric isolation between analog quantity and digital amount , the high voltage is easy to entry in the low voltage device and destroy it. A bipolarsignal isolation circuit was designed based on the features of the high 2linearity optocoupler HCN201, and the working principle and the features of the high 2linearity optocoupler HCN201were introduced. The experimental results show the circuit has the better lineari 2ty , high acuracy and practicability in TEM system.
K ey w ords :analog optocoupler ; HCNR201; isolation ; bipolarsignal conversion 在瞬变电磁勘探中, 需要在高压强电磁环境下采集发射源信号进行反褶积运算. 如果模拟量与数字量之间没有电气隔离, 那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁. 且各干扰信号会随着采集信号进入采集系统, 这些干扰信号的叠加会降低信号的信噪比[1,2], 不利于以后的信号处理. 因此在高压强电磁环境下进行信号采集必须使采集系统与采集信号实现有效的电气隔离. 光电隔离可以避免高压窜入
低压的采集系统, 且光电耦合器输入阻抗小于干扰源的内阻, 因而使叠加于被测信号上的干扰信号被极大地衰减, 从而保证采集信号的准确度. 线性光耦HCNR201为一模拟信号光电隔离器件, 可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离, 输出跟随输入变化, 线性度达0. 01%, 并且可以避免内部外部电路因接地不同而带来的误差. 目前, 基于该器件对单极性信号隔离的电路比较多[3-5]. 双极性信号高线性
收稿日期:2009-09-30
基金项目:国家自然科学基金重大仪器专项项目(40727001)
作者简介:杨居朋(1985-) , 男, 山东济宁人, 硕士研究生, 研究方向为信号采集与智能仪器.
光 电 技 术 应 用 第24卷52
度隔离比单极性信号高线性度隔离复杂, 这方面的研究也比较少. 基于该器件工作原理特性, 设计出一种
基于线性光耦HCNR201双极性信号的隔离电路.
(I 1=0. 005I f ) . 该电流用来调节I f 以补偿D 1的非
线性. 输出光电二极管D 3产生的输出电流I 2与D 1发出的伺服光通量成线性比例. 令伺服电流增益K 1=I 1/I f , 正向增益K 2=I 2/I f , 则传输增益K 3=K 2/K 1=I 2/I 1, K 3的典型值为1. 该器件的非线性度为0. 01%, 带宽大于1MHz , 额定隔离电压为8000V. 但不可以无限期在任意温度下隔离8000V 电压. 其连续运行隔离电压为1414V.
1 HCNR201简介
HCNR201的原理如图1所示. 它由发光二极
管D 1、反馈光电二极管D 2、输出光电二极管D 3组成. 当D 1通过驱动电流I f 时, 发出红外光(伺服光通量) . 该光分别照在D 2、D 3上, 反馈光电二极管D 2吸收光通量的一部分, I
1
的特性设计了一种双极性信号隔离电路如图2所示. 该电路由互补的两部分组成, 光耦1用于正极性信号的隔离, 光耦2用于负极性信号的隔离. 在隔离电路中, R 2调节初级运放A 1输入偏置电流的大小, C 1起反馈作用, 同时滤除了电路中的毛刺信号, 避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管L ED 受到意外冲击. R 1可以控制L ED 的发光强度, 从而对控制通道增益起了一定作用[6]
.
图1 HCNR201结构图
图2 双极性信号隔离电路
2. 1 隔离电路原理分析
V out =I 2・R 3=K 2・I f ・R 3(2)
则电路电压增益为
G =V out /V in =(K 2・I f ・R 3) /(K 1・I f ・R 2) (3)
该电路由互补电路组成, 正极性信号隔离电路
与负极性信号隔离电路原理相同, 只是信号输入方向和电压极性相反. 因此只以正极性信号隔离电路做为分析, 其隔离电路如图3所示. 在图3中, I 1=K 1・I f , I 2=K 2・I f , 其中K 1、K 2为伺服电流增益和正向增益. 由电路可知
V in =I 1・R 2=K 1・I f ・R 2
在线性光耦HCNR201中K 2=K 1. 所以
(4) G =R 3/R 2
从式(4) 可以看出, 该隔离电路的电压增益只与电阻R 3和R 2有关, 与光耦的电流传输特性无关, 从而实现电压信号隔离.
(1)
第6期 杨居朋等:基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离 53
图3 2. 2 运算放大器A 1、A 2HCNR2011～20mA , 因此运放20mA. 由于隔离信号为双极性, 则设计中采用双电源
. 2, 其输出波形如图
, 5知光耦2对正极性信号无隔离作用. 当用光耦1和光耦2组成的互补电路(如图2) 进行信号隔离时, 其输出波形如图6所示, 由图6知该互补电路可实现对双极性信号的隔离
.
供电的LM358运算放大器, 其输出电流可达40mA. 运放A 2组成一电压跟随电路, 实现输出电路
的阻抗匹配. 设计中运放A 2也选用双电源供电的LM358运算放大器.
2. 3 电阻R 1、R 2和R 3的取值
由运放A 1(电路图如图3所示) 虚断特性知
U +=U -=V in
(5)
图4
正极性信号输出
由电路图3可知
I f =(V out -V d 1) /R 1
(6) (7) (8)
其中, V d 1为发光二极管D 1的正向压降.
I 1=U -/R 2=V in /R 2
由于I 1=0. 005I f [6], 则式(6) 、式(7) 可化简为
V in /R 2=0. 005(V out -V d 1) /R 1
当R 1=0. 005R 2时, V out -V d 1=V in , 即I f =V in /
(9) R 1, 则R 1=V in /I f
设计中V in =-4～+4V , 由于MORNSUN 电源隔离器提供电源, 因此V cc =+12V , V ee =-12V , 为满足I f 取值范围1～20mA , R 1=V in /I f =4/(20×10-3) =200Ω, R 2=R 1/0. 005=40k Ω, R 3=
图5
负极性信号输出
Ω. R 2=40k
2. 4 隔离电路试验结果
该电路首先在protuse 进行仿真实验, 其输入信
号为峰峰2V 的正弦波, (如图2) 当只用光耦1进行信号隔离时, 其输出波形如图4所示, 由图4知光耦1只隔离正极性的信号, 对负极性信号无隔离作
图6 双极性信号输出
该电路已用于井中大功率瞬变电磁场采集仪器中, 所采集的井中大功率脉冲电磁场源发射电压与
光 电 技 术 应 用 第24卷54
的双极性信号隔离电路线性度好、电路简单, 有效地解决了高压强电磁对高速采集系统的影响, 且由于
光耦输入阻抗小, 极大地衰减了叠加在采集信号上的干扰信号, 提高了信号的信噪比, 提高了信号处理的精确度. 文中所设计的双极性隔离电路以其低成本、高稳定度、高线性度的优点可广泛应用在自动化仪表输入输出隔离、热电偶的隔离、数据通信、电压电流检测和测量、工业控制等领域. 电流波形如图7所示, 所采电压信号为分压后发射
源电压, 其分压比例为1000:1.由图7压为1. 5V , , 电压为-0. 4V , -为方便对电流信号的采集0. 5Ω电阻变为电压进行采集, 由图7知所采集最高电压20V , 流经放电线圈的电流为40A , 其电流波形与理论推导的波形相一致. 经试验验证在强电压环境(1500～-400V ) 下, 连续对发射源信号进行采集, 高压未烧毁采集卡. 因此该隔离电路实现了对双极性信号隔离采集, 且可隔离瞬变额定电压为8000V.
], , . HCNR200的
[J].电测与仪表,2006(6) :46-48.
[2] 秦伟刚. 光电耦合隔离技术与应用[J].仪器仪表学报,
2006(6) :2603-2604.
[3] 张宝生, 王念生. 基于高线性度模拟光耦器件HC 2
NR200模拟量隔离板[J].仪表技术, 2005(5) :59-60.
[4] AN SAN G HOU. A Wide Bandwidth Isolation Amplifier
Design Using Current Conveyors[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing ,2004,40:31-38. [5] 邱吉冰, 赵伟. 电流小信号隔离采集板的设计与实现
[J].自动化仪表,2007(4) :61-63.
[6] 李海波, 林辉. 线性光揭在电流采样中的应用[J].光电
图7 井中大功率脉冲电磁场源的发射电压与电流波形
3 结 束 语
实验结果表明, 应用线性光耦HCNR201组成(上接第35页)
(1) 加工精度. 加工精度须达到纳米级. 普通的
器件,2003(11) :37-38.
自主导航[J].计算机仿真,2007,24(11) :45-48.
[3] 陈非凡, 陈益峰. 采用光学非线性补偿的两轴微型太阳
飞秒激光加工的精度还不能满足要求. 高精集束电子流或其他高精度集束粒子流有可能成为理想的加工手段.
(2) 解决光敏元件的辐射耐受性问题. 真空条件下直接面对太阳辐射的恶劣环境要求对器件或窗口材料的性能进行进一步的深入研究. 潜在的解决形式如下:①进一步开发耐辐射光敏器件; ②开发高一致性光学窗口材料; ③采用算法精确处理器件和材料的一致性, 减小误差.
(3) 数据处理帧频需要提高. 提高AD 转换器采样速度或改进算法. 参考文献
[1] 郁发新, 孙琳琳. 基于太阳矢量的皮卫星姿态角测量误
敏感器[J].清华大学学报(自然科学版) ,2004,44(2) :
197-201.
[4] 何丽, 胡以华. 太阳敏感器的原理与技术发展趋势[J].
电子元件与材料,2006,25(9) :5-8.
[5] 朱鸿泰, 孙胜利, 陈桂林. CMOS APS 在太阳敏感器中
的应用研究[J].红外技术,2004,26(4) :76-79.
[6] 何丽, 胡以华, 杨勇. 一种新的APS 数字式太阳敏感器
测姿算法[J].传感器世界,2007,13(6) :6-10.
[7] 樊巧云, 江洁, 张广军. 小型CMOS 太阳敏感器[J].光
电工程,2007,34(2) :133-137.
[8] 丁天怀, 毕研刚, 王鹏. 基于CMOS APS 的微型数字式
太阳敏感器[J].清华大学学报(自然科学版) ,2008,48
(2) :203.
[9] 居戬之, 韦晓茹, 朱亚一, 等. CCD 像元光电转换效率
不一致性补偿技术[J].传感器世界,2007(10) :18-22.
[10] 朱鸿泰, 孙胜利, 陈桂林. 基于CMOS APS 高精度太
差分析[J].吉林大学学报,2008,38(4) :976-981.
[2] 母方欣, 方群, 罗建军. 基于最小二乘法的月球探测器
阳敏感器[J].传感器世界,2006(9) :26-30.
第24卷第6期Vol. 24,No. 6光电技术应用
2009年12月EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION December. 2009
・电路与控制・
基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离电路
杨居朋1,2, 王军民1,3, 刘迪仁1,3
(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室, 湖北 荆州 434023;2. 长江大学电子信息学院, 湖北 荆州 434023;
3. 长江大学地球物理与石油资源学院, 湖北 荆州 434023)
摘 要:在瞬变电磁勘探中, 气隔离, 那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁. 路, 并介绍了高精度线性光耦器件, 该电路具有良好的线性度、准确度和适用性.
关键词:; 中图分类号:T文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2009) 06-0051-04
Design of Isolated Circuit of Bipolar Signal B ased
on Linear Optocoupler HCNR 201
YAN G J u 2peng 1,2, WAN G J un 2min 1,3, L IU Di 2ren 1,3
(1Key L aboratory of Ex ploration Technologies f or Oiland Gas Resources , M O E (Yangtze U niversity ) , Jingz hou 434023, China ; 2School of Elect ronics and Inf orm ation , Yangtze U niversity , Jingz hou 434023, China ;
3School of Geophysics and Oil Resources , Yangtze U niversity , Jingz hou 434023, China )
Abstract :Data acquisition in transient electromagnetic method (TEM ) is in a high voltage and strong elec 2tromagnetic field. If there is not electric isolation between analog quantity and digital amount , the high voltage is easy to entry in the low voltage device and destroy it. A bipolarsignal isolation circuit was designed based on the features of the high 2linearity optocoupler HCN201, and the working principle and the features of the high 2linearity optocoupler HCN201were introduced. The experimental results show the circuit has the better lineari 2ty , high acuracy and practicability in TEM system.
K ey w ords :analog optocoupler ; HCNR201; isolation ; bipolarsignal conversion 在瞬变电磁勘探中, 需要在高压强电磁环境下采集发射源信号进行反褶积运算. 如果模拟量与数字量之间没有电气隔离, 那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁. 且各干扰信号会随着采集信号进入采集系统, 这些干扰信号的叠加会降低信号的信噪比[1,2], 不利于以后的信号处理. 因此在高压强电磁环境下进行信号采集必须使采集系统与采集信号实现有效的电气隔离. 光电隔离可以避免高压窜入
低压的采集系统, 且光电耦合器输入阻抗小于干扰源的内阻, 因而使叠加于被测信号上的干扰信号被极大地衰减, 从而保证采集信号的准确度. 线性光耦HCNR201为一模拟信号光电隔离器件, 可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离, 输出跟随输入变化, 线性度达0. 01%, 并且可以避免内部外部电路因接地不同而带来的误差. 目前, 基于该器件对单极性信号隔离的电路比较多[3-5]. 双极性信号高线性
收稿日期:2009-09-30
基金项目:国家自然科学基金重大仪器专项项目(40727001)
作者简介:杨居朋(1985-) , 男, 山东济宁人, 硕士研究生, 研究方向为信号采集与智能仪器.
光 电 技 术 应 用 第24卷52
度隔离比单极性信号高线性度隔离复杂, 这方面的研究也比较少. 基于该器件工作原理特性, 设计出一种
基于线性光耦HCNR201双极性信号的隔离电路.
(I 1=0. 005I f ) . 该电流用来调节I f 以补偿D 1的非
线性. 输出光电二极管D 3产生的输出电流I 2与D 1发出的伺服光通量成线性比例. 令伺服电流增益K 1=I 1/I f , 正向增益K 2=I 2/I f , 则传输增益K 3=K 2/K 1=I 2/I 1, K 3的典型值为1. 该器件的非线性度为0. 01%, 带宽大于1MHz , 额定隔离电压为8000V. 但不可以无限期在任意温度下隔离8000V 电压. 其连续运行隔离电压为1414V.
1 HCNR201简介
HCNR201的原理如图1所示. 它由发光二极
管D 1、反馈光电二极管D 2、输出光电二极管D 3组成. 当D 1通过驱动电流I f 时, 发出红外光(伺服光通量) . 该光分别照在D 2、D 3上, 反馈光电二极管D 2吸收光通量的一部分, I
1
的特性设计了一种双极性信号隔离电路如图2所示. 该电路由互补的两部分组成, 光耦1用于正极性信号的隔离, 光耦2用于负极性信号的隔离. 在隔离电路中, R 2调节初级运放A 1输入偏置电流的大小, C 1起反馈作用, 同时滤除了电路中的毛刺信号, 避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管L ED 受到意外冲击. R 1可以控制L ED 的发光强度, 从而对控制通道增益起了一定作用[6]
.
图1 HCNR201结构图
图2 双极性信号隔离电路
2. 1 隔离电路原理分析
V out =I 2・R 3=K 2・I f ・R 3(2)
则电路电压增益为
G =V out /V in =(K 2・I f ・R 3) /(K 1・I f ・R 2) (3)
该电路由互补电路组成, 正极性信号隔离电路
与负极性信号隔离电路原理相同, 只是信号输入方向和电压极性相反. 因此只以正极性信号隔离电路做为分析, 其隔离电路如图3所示. 在图3中, I 1=K 1・I f , I 2=K 2・I f , 其中K 1、K 2为伺服电流增益和正向增益. 由电路可知
V in =I 1・R 2=K 1・I f ・R 2
在线性光耦HCNR201中K 2=K 1. 所以
(4) G =R 3/R 2
从式(4) 可以看出, 该隔离电路的电压增益只与电阻R 3和R 2有关, 与光耦的电流传输特性无关, 从而实现电压信号隔离.
(1)
第6期 杨居朋等:基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离 53
图3 2. 2 运算放大器A 1、A 2HCNR2011～20mA , 因此运放20mA. 由于隔离信号为双极性, 则设计中采用双电源
. 2, 其输出波形如图
, 5知光耦2对正极性信号无隔离作用. 当用光耦1和光耦2组成的互补电路(如图2) 进行信号隔离时, 其输出波形如图6所示, 由图6知该互补电路可实现对双极性信号的隔离
.
供电的LM358运算放大器, 其输出电流可达40mA. 运放A 2组成一电压跟随电路, 实现输出电路
的阻抗匹配. 设计中运放A 2也选用双电源供电的LM358运算放大器.
2. 3 电阻R 1、R 2和R 3的取值
由运放A 1(电路图如图3所示) 虚断特性知
U +=U -=V in
(5)
图4
正极性信号输出
由电路图3可知
I f =(V out -V d 1) /R 1
(6) (7) (8)
其中, V d 1为发光二极管D 1的正向压降.
I 1=U -/R 2=V in /R 2
由于I 1=0. 005I f [6], 则式(6) 、式(7) 可化简为
V in /R 2=0. 005(V out -V d 1) /R 1
当R 1=0. 005R 2时, V out -V d 1=V in , 即I f =V in /
(9) R 1, 则R 1=V in /I f
设计中V in =-4～+4V , 由于MORNSUN 电源隔离器提供电源, 因此V cc =+12V , V ee =-12V , 为满足I f 取值范围1～20mA , R 1=V in /I f =4/(20×10-3) =200Ω, R 2=R 1/0. 005=40k Ω, R 3=
图5
负极性信号输出
Ω. R 2=40k
2. 4 隔离电路试验结果
该电路首先在protuse 进行仿真实验, 其输入信
号为峰峰2V 的正弦波, (如图2) 当只用光耦1进行信号隔离时, 其输出波形如图4所示, 由图4知光耦1只隔离正极性的信号, 对负极性信号无隔离作
图6 双极性信号输出
该电路已用于井中大功率瞬变电磁场采集仪器中, 所采集的井中大功率脉冲电磁场源发射电压与
光 电 技 术 应 用 第24卷54
的双极性信号隔离电路线性度好、电路简单, 有效地解决了高压强电磁对高速采集系统的影响, 且由于
光耦输入阻抗小, 极大地衰减了叠加在采集信号上的干扰信号, 提高了信号的信噪比, 提高了信号处理的精确度. 文中所设计的双极性隔离电路以其低成本、高稳定度、高线性度的优点可广泛应用在自动化仪表输入输出隔离、热电偶的隔离、数据通信、电压电流检测和测量、工业控制等领域. 电流波形如图7所示, 所采电压信号为分压后发射
源电压, 其分压比例为1000:1.由图7压为1. 5V , , 电压为-0. 4V , -为方便对电流信号的采集0. 5Ω电阻变为电压进行采集, 由图7知所采集最高电压20V , 流经放电线圈的电流为40A , 其电流波形与理论推导的波形相一致. 经试验验证在强电压环境(1500～-400V ) 下, 连续对发射源信号进行采集, 高压未烧毁采集卡. 因此该隔离电路实现了对双极性信号隔离采集, 且可隔离瞬变额定电压为8000V.
], , . HCNR200的
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2006(6) :2603-2604.
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NR200模拟量隔离板[J].仪表技术, 2005(5) :59-60.
[4] AN SAN G HOU. A Wide Bandwidth Isolation Amplifier
Design Using Current Conveyors[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing ,2004,40:31-38. [5] 邱吉冰, 赵伟. 电流小信号隔离采集板的设计与实现
[J].自动化仪表,2007(4) :61-63.
[6] 李海波, 林辉. 线性光揭在电流采样中的应用[J].光电
图7 井中大功率脉冲电磁场源的发射电压与电流波形
3 结 束 语
实验结果表明, 应用线性光耦HCNR201组成(上接第35页)
(1) 加工精度. 加工精度须达到纳米级. 普通的
器件,2003(11) :37-38.
自主导航[J].计算机仿真,2007,24(11) :45-48.
[3] 陈非凡, 陈益峰. 采用光学非线性补偿的两轴微型太阳
飞秒激光加工的精度还不能满足要求. 高精集束电子流或其他高精度集束粒子流有可能成为理想的加工手段.
(2) 解决光敏元件的辐射耐受性问题. 真空条件下直接面对太阳辐射的恶劣环境要求对器件或窗口材料的性能进行进一步的深入研究. 潜在的解决形式如下:①进一步开发耐辐射光敏器件; ②开发高一致性光学窗口材料; ③采用算法精确处理器件和材料的一致性, 减小误差.
(3) 数据处理帧频需要提高. 提高AD 转换器采样速度或改进算法. 参考文献
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的应用研究[J].红外技术,2004,26(4) :76-79.
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测姿算法[J].传感器世界,2007,13(6) :6-10.
[7] 樊巧云, 江洁, 张广军. 小型CMOS 太阳敏感器[J].光
电工程,2007,34(2) :133-137.
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太阳敏感器[J].清华大学学报(自然科学版) ,2008,48
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不一致性补偿技术[J].传感器世界,2007(10) :18-22.
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差分析[J].吉林大学学报,2008,38(4) :976-981.
[2] 母方欣, 方群, 罗建军. 基于最小二乘法的月球探测器
阳敏感器[J].传感器世界,2006(9) :26-30.