信号隔离器的设计

张筱绮

【摘 要】 针对自动激光测厚系统中存在的地环流干扰、自然干扰以及电磁干扰等干扰源，本文设计了一种基于高线性模拟光耦HCNR2000的信号隔离器。

【关键词】 信号隔离器 线性光耦HCNR20

1 方案设计

由计算机或微处理器控制的智能电子系统中，各部分的电气特性差别很大，为了避免数字或模拟信号在传送时出现的穿越发送以及接收端之间屏障的电流连接，采用了信号隔离器。信号隔离器使接收端和发送端的地或基准电平的差值达到数千伏，而且能够有效防止损害信号的不同地电位产生的环路电流。

针对自动激光测厚系统中的干扰来源，本文设计了一款线性信号隔离器。信号隔离器由开关电源部分和高精度电压测量部分两部分组成，如图1所示。其中，开关电源是反激式开关稳压电源，以TinySwitch系列的线性稳压芯片TNY254为核心，对辅助回路稳压，具有很高的负载调整率和电压调整率；高精度电压测量部分采用线性光耦HCNR200，以隔离地环流，抑制干扰。

2 硬件电路设计

结合自动激光测厚技术的实际要求，信号隔离器的隔离强度为2000V，直流电压输入，直流电压输出，使用的辅助电源为AC/DC20-265V，变送精度为±0.1%，低功耗。本文假设输入的电压信号均为标准的工业电压信号，即200mV-12。

2.1 输入模块

信号隔离器的隔离性能在很大程度上取决于输入级采用的运算放大器。输入模块接收传感器采集的电信号，进行滤波、放大。滤波器和放大电路的设计如图2所示。

输入的电压信号，经单运放CA314放大，通常此时的放大比略大于1，因此反馈电阻R13取值为100欧姆，之后电压信号一分为二，分别经过电压跟随器以及放大电路进行滤波放大。滤波，是为了将交流成分去除，保留直流成分。电容可将交流成分短路，如：同相输入端接入的C1，接在输出端与反相输入端之间的C2。C2实际上是深度的交流负反馈，以防止交流成分放大。如果深度的交流负反馈很深，交流信号会减弱甚至接近于零。

输入200mV电压时，经第一次放大，电压略大于200mV。为了消除交流干扰，将电容接在运放的输入端和输出端，形成反馈。经第二次放大，电压放大为5.798V。第二次放大，是为了HCNR200能正常工作。此外，输入模块中，信号已经分成两路分别隔离，而且两电路之间的地有电容，以防止两路输出相互干扰。两路结构完全相同，以下分析均只分析一路。

2.2 隔离模块

隔离模块的隔离功能选用线性光耦HCNR200来实现。HCNR200是一种模拟光耦合器件，具有高线性度，由一个高性能的ALGaAS LED和两个与ALGaAS LED匹配的光敏二极管组成。设计电路如图3所示。在输入电压信号作用下，流过ALGaAS LED的电流随之变化，而且与流过两个光敏二极管的电流成严格的比例关系，那么输出端电压也会随输入电压的变化而变化。

理论计算有：

（1-1）

由式1-1可知，改变电阻值可以实现不同放大倍数的测量电路。

2.3 输出模块

为保证输出模块的精度，输出模块作为隔离模块的后续，只需加一个电压跟随器，通过断开负反馈回路，消除大环路负反馈带来的弊端，输出模块可以根据负载的大小动态调整输出功率，从而减小自身的发热。在multisim10.0中进行测试，测试电路图如图4所示。

3 结语

本文设计的信号隔离器具有工作稳定，隔离效果好，成本低等优点，可以广泛用在工业测量，特别是精密测量和实时精确控制系统中。endprint

【摘 要】 针对自动激光测厚系统中存在的地环流干扰、自然干扰以及电磁干扰等干扰源，本文设计了一种基于高线性模拟光耦HCNR2000的信号隔离器。

【关键词】 信号隔离器 线性光耦HCNR20

1 方案设计

由计算机或微处理器控制的智能电子系统中，各部分的电气特性差别很大，为了避免数字或模拟信号在传送时出现的穿越发送以及接收端之间屏障的电流连接，采用了信号隔离器。信号隔离器使接收端和发送端的地或基准电平的差值达到数千伏，而且能够有效防止损害信号的不同地电位产生的环路电流。

针对自动激光测厚系统中的干扰来源，本文设计了一款线性信号隔离器。信号隔离器由开关电源部分和高精度电压测量部分两部分组成，如图1所示。其中，开关电源是反激式开关稳压电源，以TinySwitch系列的线性稳压芯片TNY254为核心，对辅助回路稳压，具有很高的负载调整率和电压调整率；高精度电压测量部分采用线性光耦HCNR200，以隔离地环流，抑制干扰。

2 硬件电路设计

结合自动激光测厚技术的实际要求，信号隔离器的隔离强度为2000V，直流电压输入，直流电压输出，使用的辅助电源为AC/DC20-265V，变送精度为±0.1%，低功耗。本文假设输入的电压信号均为标准的工业电压信号，即200mV-12。

2.1 输入模块

信号隔离器的隔离性能在很大程度上取决于输入级采用的运算放大器。输入模块接收传感器采集的电信号，进行滤波、放大。滤波器和放大电路的设计如图2所示。

输入的电压信号，经单运放CA314放大，通常此时的放大比略大于1，因此反馈电阻R13取值为100欧姆，之后电压信号一分为二，分别经过电压跟随器以及放大电路进行滤波放大。滤波，是为了将交流成分去除，保留直流成分。电容可将交流成分短路，如：同相输入端接入的C1，接在输出端与反相输入端之间的C2。C2实际上是深度的交流负反馈，以防止交流成分放大。如果深度的交流负反馈很深，交流信号会减弱甚至接近于零。

输入200mV电压时，经第一次放大，电压略大于200mV。为了消除交流干扰，将电容接在运放的输入端和输出端，形成反馈。经第二次放大，电压放大为5.798V。第二次放大，是为了HCNR200能正常工作。此外，输入模块中，信号已经分成两路分别隔离，而且两电路之间的地有电容，以防止两路输出相互干扰。两路结构完全相同，以下分析均只分析一路。

2.2 隔离模块

隔离模块的隔离功能选用线性光耦HCNR200来实现。HCNR200是一种模拟光耦合器件，具有高线性度，由一个高性能的ALGaAS LED和两个与ALGaAS LED匹配的光敏二极管组成。设计电路如图3所示。在输入电压信号作用下，流过ALGaAS LED的电流随之变化，而且与流过两个光敏二极管的电流成严格的比例关系，那么输出端电压也会随输入电压的变化而变化。

理论计算有：

（1-1）

由式1-1可知，改变电阻值可以实现不同放大倍数的测量电路。

2.3 输出模块

为保证输出模块的精度，输出模块作为隔离模块的后续，只需加一个电压跟随器，通过断开负反馈回路，消除大环路负反馈带来的弊端，输出模块可以根据负载的大小动态调整输出功率，从而减小自身的发热。在multisim10.0中进行测试，测试电路图如图4所示。

3 结语

本文设计的信号隔离器具有工作稳定，隔离效果好，成本低等优点，可以广泛用在工业测量，特别是精密测量和实时精确控制系统中。endprint

【摘 要】 针对自动激光测厚系统中存在的地环流干扰、自然干扰以及电磁干扰等干扰源，本文设计了一种基于高线性模拟光耦HCNR2000的信号隔离器。

【关键词】 信号隔离器 线性光耦HCNR20

1 方案设计

由计算机或微处理器控制的智能电子系统中，各部分的电气特性差别很大，为了避免数字或模拟信号在传送时出现的穿越发送以及接收端之间屏障的电流连接，采用了信号隔离器。信号隔离器使接收端和发送端的地或基准电平的差值达到数千伏，而且能够有效防止损害信号的不同地电位产生的环路电流。

针对自动激光测厚系统中的干扰来源，本文设计了一款线性信号隔离器。信号隔离器由开关电源部分和高精度电压测量部分两部分组成，如图1所示。其中，开关电源是反激式开关稳压电源，以TinySwitch系列的线性稳压芯片TNY254为核心，对辅助回路稳压，具有很高的负载调整率和电压调整率；高精度电压测量部分采用线性光耦HCNR200，以隔离地环流，抑制干扰。

2 硬件电路设计

结合自动激光测厚技术的实际要求，信号隔离器的隔离强度为2000V，直流电压输入，直流电压输出，使用的辅助电源为AC/DC20-265V，变送精度为±0.1%，低功耗。本文假设输入的电压信号均为标准的工业电压信号，即200mV-12。

2.1 输入模块

信号隔离器的隔离性能在很大程度上取决于输入级采用的运算放大器。输入模块接收传感器采集的电信号，进行滤波、放大。滤波器和放大电路的设计如图2所示。

输入的电压信号，经单运放CA314放大，通常此时的放大比略大于1，因此反馈电阻R13取值为100欧姆，之后电压信号一分为二，分别经过电压跟随器以及放大电路进行滤波放大。滤波，是为了将交流成分去除，保留直流成分。电容可将交流成分短路，如：同相输入端接入的C1，接在输出端与反相输入端之间的C2。C2实际上是深度的交流负反馈，以防止交流成分放大。如果深度的交流负反馈很深，交流信号会减弱甚至接近于零。

输入200mV电压时，经第一次放大，电压略大于200mV。为了消除交流干扰，将电容接在运放的输入端和输出端，形成反馈。经第二次放大，电压放大为5.798V。第二次放大，是为了HCNR200能正常工作。此外，输入模块中，信号已经分成两路分别隔离，而且两电路之间的地有电容，以防止两路输出相互干扰。两路结构完全相同，以下分析均只分析一路。

2.2 隔离模块

隔离模块的隔离功能选用线性光耦HCNR200来实现。HCNR200是一种模拟光耦合器件，具有高线性度，由一个高性能的ALGaAS LED和两个与ALGaAS LED匹配的光敏二极管组成。设计电路如图3所示。在输入电压信号作用下，流过ALGaAS LED的电流随之变化，而且与流过两个光敏二极管的电流成严格的比例关系，那么输出端电压也会随输入电压的变化而变化。

理论计算有：

（1-1）

由式1-1可知，改变电阻值可以实现不同放大倍数的测量电路。

2.3 输出模块

为保证输出模块的精度，输出模块作为隔离模块的后续，只需加一个电压跟随器，通过断开负反馈回路，消除大环路负反馈带来的弊端，输出模块可以根据负载的大小动态调整输出功率，从而减小自身的发热。在multisim10.0中进行测试，测试电路图如图4所示。

3 结语

本文设计的信号隔离器具有工作稳定，隔离效果好，成本低等优点，可以广泛用在工业测量，特别是精密测量和实时精确控制系统中。endprint