線性光耦隔離電路及其在程式控制電壓源的應用

    本文所討論的線性光耦隔離電路是藉助於一般光電耦合器的特性，用偏置法和差分技術設計而成，是用來隔離計算機所輸出電壓源的數字信號與負載模擬信號之間的干擾。

線性光耦隔離電路的設計
    所設計的線性光耦隔離電路是由兩個光電耦合器、兩個偏置輸入電路和一個差分放大電路組成，框圖如圖1所示。

     因為光電耦合器有其特有的工作線性區，偏置輸入是用來調節光電耦合器(1)的輸入電流，使其工作在線性區。而光電耦合器(2)和偏置輸入(2)通過差分放大電路來耦合光電耦合器(1)的漂移和非線性。差分放大電路還用來得到放大的模擬信號。
    光耦隔離放大電路採用TLP521-2光電耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。TLP521-2光電耦合器是集成了圖1中光電耦合器(1)和(2)，LF356主要用於信號輸入前的信號處理，一方面保證光電耦合器工作在線性區，另一方面，對輸入信號作簡單的放大。LF347則組成差分放大電路。所以光耦隔離放大電路的結構圖如圖2所示。
 
    線性光耦隔離電路的接線原理如圖3所示。
 
    圖中，LF356為放大器(1)，中間兩個光電耦合器由TLP521-2構成，後面四個放大器由LF347構成。

線性光耦隔離電路的工作原理
光電耦合器的工作特性
    TLP521-2光電耦合器是由兩個單獨的光電耦合器組成。一般來講，光電耦合器由一個發光二極體和一個光敏器件構成。發光二極體的發光亮度L與電流成正比，當電流增大到引起結溫升高時，發光二極體呈飽和狀態，不再在線性工作區。光電二極體的光電流與光照度的關係可用IL∝Eu表述。其中，E為光照度，u=1±0.05，因此，光電流基本上隨照度而線性增大。但一般硅光電二極體的光電流是幾十微安，對於光敏三極體，由於其放大係數與集電極電流大小有關，小電流時，放大係數小，所以光敏三極體在低照度時靈敏度低，而在照度高時，光電流又呈飽和趨勢。達不到線性效果。
    因為不同的光電耦合器有不同的工作線性區，所以，在試驗過程中，應該首先找到光電耦合器的線性區。光電耦合器TLP521-2的電流線性區大約為1～10mA。
    光電耦合器的偏置輸入電路可以決定輸入它的電流的範圍，偏置電路設計的好，可以使得輸入電流在很大範圍內變化時，光電耦合器依然工作在線性區。

差分放大電路工作原理
    本電路中差分放大電路採用多運放、可增益、可調零電路。圖3中，兩個光電耦合器的輸出分別通過放大器(2)和(3)輸入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到輸出。放大器(5)主要是用來調零。其中，光電耦合器(2)的偏置輸入電路通過放大電路來補償光電耦合器(1)的漂移以及非線性部分。一旦補償奏效，電路的輸出就只與光電耦合器(1)的輸入有關。

線性光隔離電路在程式控制電壓源中的應用
    本電路所用輸入電壓是由PC機給定，該電壓由程序控制，並且可調節。通過D/A轉換，變成模擬信號后，送到光耦合隔離放大電路的輸入端，由隔離放大電路隔離放大后從放大器(5)輸出。同時在輸出端找一個反饋點，同樣通過隔離放大電路和A/D轉換返回PC機，通過反饋調整程序，使輸出更精確。
    本實驗所要求的PC機給定電壓為0-5V，輸出要求達到0-12V。
    光耦合隔離電路在程式控制電壓源中應用的框圖如圖4所示。
    由於試驗的目的是為了得到不受輸入影響的精確模擬信號，電路首先要凋零，即在零輸入狀態下保證輸出為零。調試步驟如下：

1. 調節放大器(1)的反相端，使輸入電壓為零(即接地)。
2. 為保證光電耦合器(1)工作在線性區，調節放大器(1)同相端的輸入電壓，使輸出電壓達到一個線性度較好的工作區。
3. 調節光電耦合器(2)，使得兩個耦合器的輸入電流完全相同(因為其電流工作特l生)，從而使得輸出電流也近似相同(因為電子元器件本身的誤差，不可能完全相同)。
4. 調節放大器(2)和(3)的正相輸入電壓，使兩者相等。這樣，在放大器(4)的輸出端可以得到一個接近零的輸出(也不能完全為零)。R12為放大倍數調節電阻。
5. 調節R17使得放大器(5)輸出端電壓為零，即PR17為調零電阻。
6. 根據所給輸入電壓Vin調節放大倍數，得到所需電壓Vout。

    通過試驗及調試，得到一組線性度很好的數據。
    調試中應注意的問題

1. 電路中所有+Vcc均為+12V，-Vcc均為-12V，GND為地，但光電耦合器左右兩邊用兩套電源，以避免信號干擾。
2. 對單個放大器而言，在調試時，盡量讓輸出電壓在12V以下。
3. 光電耦合器的輸入電流應在2～10mA為宜(這是光電耦合器的線性區，電流太大或太小都會偏離線性區)，本實驗採用6.17mA(0V輸入時)。且當輸入電壓Vin從0～5V改變時，光電耦合器(1)的輸入電流應盡量在一個較小的範圍內變化，這樣可以儘可能保證輸入電流在光電耦合器的線性區內變化。
4. 電壓放大過程實際由兩部分組成，第一部分為放大器(1)，第二部分為後四個放大器組成的集成運放塊。

結束語
    研究結果表明，上述光耦隔離放大電路可用於多種模擬信號的隔離，尤其是隔離數字信號對模擬信號的干擾。它的優點主要體現在體積小、壽命長、價格便宜、輸入與輸出之間絕緣、單向傳輸信號，且工作頻率可以高達上百千赫，可以用於頻率要求較寬的電路設計。它除了具有通常光電耦合器所特有的性能外，還具有輸出線性度好、光漂移影響小等特點，因此可以用來消除測控系統的外部干擾，抑制計算機的數字信號對模擬信號的干擾等。
    光耦隔離放大電路由於其簡單的電路設計及良好的輸出特性，在數字電路上得到廣泛的應用，尤其是對於小成本投入、高精度電路的設計，有很大的優勢。