2010年第11期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION ○机械与电子○科技信息
非线性光耦实现模拟信号线性隔离
郭庆亮
（中国电子科技集团公司第四十一研究所
山东
青岛
266555）
【摘要】模拟信号隔离可以采用调制解调、变压器隔离、线性光耦隔离等方法，最简单有效的选择是使用线形光耦。但线性光耦价格比较贵，为此我们采用非线性光耦TLP521-2来代替线性光耦实现模拟信号的隔离。将非线性光耦的单发单收模式稍加改变，光耦的一路用于反馈来抵消另一路光耦非线性特性，从而实现线性隔离的目的。
【关键词】非线性光耦；线性光耦；反馈；模拟量采样；线性隔离
0引言
在各种工控现场，模拟信号和数字信号的传输受到了外界各种各样电磁噪声的影响，往往会造成信号畸变，使得控制系统的输入和输出发生了非正常的变化，严重情况下还会危险到人身安全。现在，越来越多屏蔽、隔离、接地等抗干扰措施应用在工控现场，对模拟信号我们采用最多的是屏蔽和接地、滤波、压频转换等措施，无线传输虽然也是实现了空间的隔离，但需要在前后端增加无线收发模块，并且当工控现场的控制点比较多时，大功率的无线传输会对别的工控单元造成电磁干扰。
随着Agilent 、TI 等芯片厂商推出了线性光耦，使得模拟信号的线性隔离变得简单而轻松，但对于一个成本要求较高的应用中，线性光耦会增加不少的成本。为了降低成本，经过实验实现了用非线性光耦对模拟信号进行线性隔离。
看出，线性光耦真正隔离的是电流，要想取样电压信号，需要在输入和输出处增加运算放大器等辅助电路。
2非线性光耦构建的模拟信号线性隔离电路
1线性光耦的隔离原理
线性光耦HCNR200/201的内部结构图如下所示，其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。HCNR200/201属于单发双收结构，发光二极管发出的光同时控制两个光敏二级管。
用非线性光耦替代线性光耦，首先需要考虑的问题是，采用两个独立的单路光耦还是采用一个双路光耦？由于上面的公式3中的推导默认线性光耦的K 1和K 2相等，这样我们选用的两路光耦的物理特性最好一致，封装在一起的两路光耦比两个独立的单路光耦具有更好的一致特性，所以选用了双路光耦。
其次，既然信号已经隔离，那么隔离前后的集成电路的供电必须隔离，否则不能真正做到完全隔离。当然用非线性光耦做的隔离电路在布置印制板的时候不如线性光耦，因为处于非线性光耦一边的5，6脚和7，8脚上加了两组隔离的电源（见图3）。而用线性光耦做的印制板则可以将隔离电源完全布局在光电器件的两边。然后根据线性光耦的参数，经过比较我们选用了TPP521-2，根据该光耦构建的隔离电路如下：
图3TLP521-2构建的模拟信号线性隔离电路
图1线性光耦结构图
1. 1
引脚之间发光二极管的电流记作I F ，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作I PD1和I PD2。输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流上I F ，I PD1和I PD2基本与I F 成线性关系，线性系数分别记为K1和K2, 即
（1）K 1=IPD1/IF
（2）K 2=IPD2/IF
I PD1电流用来调节I F 以补偿1、2脚发光二极管的非线性。
Agilent 公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路（图2所示为其中一种），按照图2的电路经过严格的理论计算，可以得出如下输入和输出的关系式（公式3），K 1与K 2一般很小为0.005，芯片的设计过程中使得K 1和K 2相等。
（3）Vout=K2*R2*Vin/K1*R1=R2*Vin/R1
可见，在图2电路中，输出和输入成正比，并且比例系数只由R 1、R 2确定。一般选R 1等于R 2，达到只隔离不放大的目的。
图2Agilent 公司推荐的线性光耦隔离电路
线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。从上图可以
采样隔离电路主要由一个双路非线性光电耦合器、两个运放和电阻、电容构成。其中一路光耦的7脚用作输出，另一路光耦5脚作为反馈，反馈是用来补偿发光二极管时间、温度特性的非线性，保证光敏三极管产生的输出信号与LED 发光二极管发出的光通量呈线性比例。
隔离电路中,R 1调节输入运算放大器的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, 避免发光二极管(LED)受到意外的冲击。但是, 随着频率的提高, 发光二极管阻抗将变小, 电流增大, 增益随之变大, 因而,C 1的引入对通道在高频时的增益有一定影响, 虽然减小C 1的值可以拓展带宽, 但是, 会影响初级运算放大器的增益, 同时, 初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。但对于我们目前的模拟信号采样频率不高的情况下，取0.47μF 的电容就足够了。
在采样电路调节过程中，输入电压有两种变化趋势，当输入电压Vin 升高时，Vin 大于R 1和流经其电流的乘积，导致运放输出端电压升高，通过两个发光二极管的电流也随之增大，光敏三极管6、5脚的电流也增大，这样反馈到R 1上的电流也增大，最终调节的结果是输入运放+、-端的电压相等，同时8、7脚电流也增大，通过采样电阻R 3上的电压随之线性增大。
反之，当输入电压Vin 降低时，运放输出端电压降低，通过发光二极管的电流也随之减小，与上类似，输出电压也随输入电压Vin 的降低成比例地减小。
上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性、理想范围内的，要想做到这一点需要对运放进行合理选型，并且仔细选择电阻的阻值。
运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出的是单正电源供电的例子。为了使输入范围能够从0到Vcc ，需要运放能够满摆幅工作，另外，运放的工作速度、压摆率不会影响整个电（下转第33页
）
106
科技信息○科教前沿○SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 2010年第11期
为此，我们成立节能领导小组，在每个工地分设具体节能小组，由每个工地有责任心的老操作手任组长，统一协调施工中的机械安排，在施工间隙，共同讨论机械操作的得与弊，如何才能达到节能目的。
5领导重视、亲自抓，并加大奖罚力度
将节约意识贯彻到每一名职工心中，不管是工程机械，还是办公车辆，都需要有节油降耗思想。只有领导重视，亲自讲亲自抓，从自身做起，才能从大的方面，从全局角度考虑。如果全国各个单位各个系统都能做到“节约在我心中”的话，我想，我国每年节约油耗将能达到几千万甚至上亿的资金。
对于那些起带头作用的，节油小组组长，表现特别优秀的员工要大力宣传，并按一定比例给予物质奖励，从而激发更多的人养成节约习惯。
对于那些无动于衷，不把公家车辆当做自己的人员，不珍惜燃油，不爱惜车辆，保养机械得过且过的员工予以警告，劝勉，甚至予以解除劳动合同。
只有这样，才能达到节能增效的长期目的。既能增加经济效益又能培养驾驶员和操作手的良好工作习惯。人人都是节能高手，以点带面，整个社会才能形成节约的良好氛围，促进全社会又好又快发展。科
●
【参考文献】
［1］交通部工程管理司. 公路筑养路机械保修规程. 人民交通出版社. ［2］山东交通学院工程机械研究所. 工程建设机械. 石油大学出版社. ［3］戴冠军. 汽车维修工程. 人民交通出版社，2005.
［责任编辑：王静］
●
（上接第415页）门负责对油污损害状况进行评估并提供溢油清除方
案供决策参考，海洋气象、渔业水产部门则提供海区海况和海洋资源的损害情况。正是由于此常设机构的存在，加强了政府各部门之间的协作配合，充分发挥了人员和资源上的优势，从而保证了应急反应指挥体系的反应迅速、步调一致、政令畅通、效果显著。而这一溢油应急指挥系统的建立和成功的经验，正是目前中国缺乏和急需借鉴学习的。着眼中国海上防治溢油应急反应工作的现状，国家目前还没有建立海上溢油应急反应机制，而防止船舶污染损害应急反应的协调指挥工作基本上是依托在中国海上搜救中心和各省、市的海上搜救中心。
作者简介：姜勤凤（1958.10），女，本科，中共山东省委党校，经济管理专业，国家和各省、市的海上搜救中心在过去的若干年，根据国发[1973]187
号文《关于成立海上安全指挥部的通知》和国函[1989150号文《国务经济师（人力资源）, 主要研究方向为防治船舶污染海洋，溢油应急防备与反应技院、中央军委关于在交通部建立中国海上搜救中心的批复》的精神，积术培训, 目标为评审高级经济师。极履行职责，在防止船舶溢油污染损害，组织协调应急反应清除污染
[责任编辑：曹明明]做了大量的工作，也取得了较好的成效，从多年的实践来看，这个模式
各海上搜救中心在协调政的运行还是比较成功的。但存在的问题是，
府相关各个部门共同抗击油污损害的过程中，却面临着很大的困惑，其根本的原因就是缺少相关法律法规的支持，各级政府以及相关的部门在海上溢油应急反应的职责和法律关系不明确，国家缺少一部类似《美国90油污法》的海上溢油应急反应的法律。“威望”号油轮的溢油事件已经给了我们足够的警示，因此，尽快完善国家溢油应急反应法律，建立国家溢油应急反应机制，是当前加强中国海上溢油污染损害防治工作紧迫而必须要解决的问题。科
●
●
（上接第106页）路的性能。由于光耦是电流驱动型器件, 其LED 的工作电流为1mA ～20mA, 因此, 运算放大器的驱动电流也必须达到20mA, 我们选用的运算放大器LM358的电流驱动能力达40mA 。
表1实际电路输入输出电压比较表
序号
输入电压Vin （V ）
输出电压Vout （V ）
误差值ΔV
[1**********]
[1**********]
1.032.053.0844.1075.1386.187.188.219.2210.24
0.030.050.0840.1070.1380.180.180.210.220.24
（4）I PD1=0.005IF
I PD1就相当于光耦TLP521-2的光敏三极管通过的电流，I F 就相当于发光二极管通过的电流，那么，隔离模拟信号为5V 时：
R 1=Vin/IPD1=5/0.005*20=50KΩ（5）
实际我们使用中，为了能隔离0-10V 信号，将R 1选择为100K ，R 3
阻值等于R 1。
3总结
经过对线性光耦隔离电路的理论分析，给出了一个由光耦TLP521-2和运放LM358构建的模拟信号线性隔离采样电路，并详细介绍了器件的选择方法。在实际电路测试中，采用两组隔离电源，测量输入(0-10V)和输出的误差在10V 时最大为0.24V 左右，模拟电压越小，误差越小，1V 模拟量时误差在0.03V ，做到了隔离并信号基本不失真，可适用于一般精度要求的采样或模拟量输出的场合。科
【参考文献】
［1］沙斐. 机电一体化系统的电磁兼容技术. 北京理工大学EMC 技术培训教材. ［2］LM358数据手册. ［3］TLP521-2数据手册. ［4］HCNR200/201数据手册.
作者简介：郭庆亮，毕业于电子科技大学电气自动化专业，工程师，现在中国电子科技集团公司第41研究所工作，工作方向为孵化厅自动化产品电气开发。
电阻的选型需要考虑运放的线性范围和光耦TLP521-2的最大工作电流Imax 。例如需要隔离0-5V 的模拟量信号，如何选择电阻？首先光耦的输入二极管的电流在1-20mA ，在输出5V 的情况下，电流最大20mA 时，所以电阻R3为250Ω。
Agilent 公司的HCNR200/201的官方资料中给出：
［责任编辑：翟成梁］
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2010年第11期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION ○机械与电子○科技信息
非线性光耦实现模拟信号线性隔离
郭庆亮
（中国电子科技集团公司第四十一研究所
山东
青岛
266555）
【摘要】模拟信号隔离可以采用调制解调、变压器隔离、线性光耦隔离等方法，最简单有效的选择是使用线形光耦。但线性光耦价格比较贵，为此我们采用非线性光耦TLP521-2来代替线性光耦实现模拟信号的隔离。将非线性光耦的单发单收模式稍加改变，光耦的一路用于反馈来抵消另一路光耦非线性特性，从而实现线性隔离的目的。
【关键词】非线性光耦；线性光耦；反馈；模拟量采样；线性隔离
0引言
在各种工控现场，模拟信号和数字信号的传输受到了外界各种各样电磁噪声的影响，往往会造成信号畸变，使得控制系统的输入和输出发生了非正常的变化，严重情况下还会危险到人身安全。现在，越来越多屏蔽、隔离、接地等抗干扰措施应用在工控现场，对模拟信号我们采用最多的是屏蔽和接地、滤波、压频转换等措施，无线传输虽然也是实现了空间的隔离，但需要在前后端增加无线收发模块，并且当工控现场的控制点比较多时，大功率的无线传输会对别的工控单元造成电磁干扰。
随着Agilent 、TI 等芯片厂商推出了线性光耦，使得模拟信号的线性隔离变得简单而轻松，但对于一个成本要求较高的应用中，线性光耦会增加不少的成本。为了降低成本，经过实验实现了用非线性光耦对模拟信号进行线性隔离。
看出，线性光耦真正隔离的是电流，要想取样电压信号，需要在输入和输出处增加运算放大器等辅助电路。
2非线性光耦构建的模拟信号线性隔离电路
1线性光耦的隔离原理
线性光耦HCNR200/201的内部结构图如下所示，其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。HCNR200/201属于单发双收结构，发光二极管发出的光同时控制两个光敏二级管。
用非线性光耦替代线性光耦，首先需要考虑的问题是，采用两个独立的单路光耦还是采用一个双路光耦？由于上面的公式3中的推导默认线性光耦的K 1和K 2相等，这样我们选用的两路光耦的物理特性最好一致，封装在一起的两路光耦比两个独立的单路光耦具有更好的一致特性，所以选用了双路光耦。
其次，既然信号已经隔离，那么隔离前后的集成电路的供电必须隔离，否则不能真正做到完全隔离。当然用非线性光耦做的隔离电路在布置印制板的时候不如线性光耦，因为处于非线性光耦一边的5，6脚和7，8脚上加了两组隔离的电源（见图3）。而用线性光耦做的印制板则可以将隔离电源完全布局在光电器件的两边。然后根据线性光耦的参数，经过比较我们选用了TPP521-2，根据该光耦构建的隔离电路如下：
图3TLP521-2构建的模拟信号线性隔离电路
图1线性光耦结构图
1. 1
引脚之间发光二极管的电流记作I F ，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作I PD1和I PD2。输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流上I F ，I PD1和I PD2基本与I F 成线性关系，线性系数分别记为K1和K2, 即
（1）K 1=IPD1/IF
（2）K 2=IPD2/IF
I PD1电流用来调节I F 以补偿1、2脚发光二极管的非线性。
Agilent 公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路（图2所示为其中一种），按照图2的电路经过严格的理论计算，可以得出如下输入和输出的关系式（公式3），K 1与K 2一般很小为0.005，芯片的设计过程中使得K 1和K 2相等。
（3）Vout=K2*R2*Vin/K1*R1=R2*Vin/R1
可见，在图2电路中，输出和输入成正比，并且比例系数只由R 1、R 2确定。一般选R 1等于R 2，达到只隔离不放大的目的。
图2Agilent 公司推荐的线性光耦隔离电路
线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。从上图可以
采样隔离电路主要由一个双路非线性光电耦合器、两个运放和电阻、电容构成。其中一路光耦的7脚用作输出，另一路光耦5脚作为反馈，反馈是用来补偿发光二极管时间、温度特性的非线性，保证光敏三极管产生的输出信号与LED 发光二极管发出的光通量呈线性比例。
隔离电路中,R 1调节输入运算放大器的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, 避免发光二极管(LED)受到意外的冲击。但是, 随着频率的提高, 发光二极管阻抗将变小, 电流增大, 增益随之变大, 因而,C 1的引入对通道在高频时的增益有一定影响, 虽然减小C 1的值可以拓展带宽, 但是, 会影响初级运算放大器的增益, 同时, 初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。但对于我们目前的模拟信号采样频率不高的情况下，取0.47μF 的电容就足够了。
在采样电路调节过程中，输入电压有两种变化趋势，当输入电压Vin 升高时，Vin 大于R 1和流经其电流的乘积，导致运放输出端电压升高，通过两个发光二极管的电流也随之增大，光敏三极管6、5脚的电流也增大，这样反馈到R 1上的电流也增大，最终调节的结果是输入运放+、-端的电压相等，同时8、7脚电流也增大，通过采样电阻R 3上的电压随之线性增大。
反之，当输入电压Vin 降低时，运放输出端电压降低，通过发光二极管的电流也随之减小，与上类似，输出电压也随输入电压Vin 的降低成比例地减小。
上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性、理想范围内的，要想做到这一点需要对运放进行合理选型，并且仔细选择电阻的阻值。
运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出的是单正电源供电的例子。为了使输入范围能够从0到Vcc ，需要运放能够满摆幅工作，另外，运放的工作速度、压摆率不会影响整个电（下转第33页
）
106
科技信息○科教前沿○SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 2010年第11期
为此，我们成立节能领导小组，在每个工地分设具体节能小组，由每个工地有责任心的老操作手任组长，统一协调施工中的机械安排，在施工间隙，共同讨论机械操作的得与弊，如何才能达到节能目的。
5领导重视、亲自抓，并加大奖罚力度
将节约意识贯彻到每一名职工心中，不管是工程机械，还是办公车辆，都需要有节油降耗思想。只有领导重视，亲自讲亲自抓，从自身做起，才能从大的方面，从全局角度考虑。如果全国各个单位各个系统都能做到“节约在我心中”的话，我想，我国每年节约油耗将能达到几千万甚至上亿的资金。
对于那些起带头作用的，节油小组组长，表现特别优秀的员工要大力宣传，并按一定比例给予物质奖励，从而激发更多的人养成节约习惯。
对于那些无动于衷，不把公家车辆当做自己的人员，不珍惜燃油，不爱惜车辆，保养机械得过且过的员工予以警告，劝勉，甚至予以解除劳动合同。
只有这样，才能达到节能增效的长期目的。既能增加经济效益又能培养驾驶员和操作手的良好工作习惯。人人都是节能高手，以点带面，整个社会才能形成节约的良好氛围，促进全社会又好又快发展。科
●
【参考文献】
［1］交通部工程管理司. 公路筑养路机械保修规程. 人民交通出版社. ［2］山东交通学院工程机械研究所. 工程建设机械. 石油大学出版社. ［3］戴冠军. 汽车维修工程. 人民交通出版社，2005.
［责任编辑：王静］
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（上接第415页）门负责对油污损害状况进行评估并提供溢油清除方
案供决策参考，海洋气象、渔业水产部门则提供海区海况和海洋资源的损害情况。正是由于此常设机构的存在，加强了政府各部门之间的协作配合，充分发挥了人员和资源上的优势，从而保证了应急反应指挥体系的反应迅速、步调一致、政令畅通、效果显著。而这一溢油应急指挥系统的建立和成功的经验，正是目前中国缺乏和急需借鉴学习的。着眼中国海上防治溢油应急反应工作的现状，国家目前还没有建立海上溢油应急反应机制，而防止船舶污染损害应急反应的协调指挥工作基本上是依托在中国海上搜救中心和各省、市的海上搜救中心。
作者简介：姜勤凤（1958.10），女，本科，中共山东省委党校，经济管理专业，国家和各省、市的海上搜救中心在过去的若干年，根据国发[1973]187
号文《关于成立海上安全指挥部的通知》和国函[1989150号文《国务经济师（人力资源）, 主要研究方向为防治船舶污染海洋，溢油应急防备与反应技院、中央军委关于在交通部建立中国海上搜救中心的批复》的精神，积术培训, 目标为评审高级经济师。极履行职责，在防止船舶溢油污染损害，组织协调应急反应清除污染
[责任编辑：曹明明]做了大量的工作，也取得了较好的成效，从多年的实践来看，这个模式
各海上搜救中心在协调政的运行还是比较成功的。但存在的问题是，
府相关各个部门共同抗击油污损害的过程中，却面临着很大的困惑，其根本的原因就是缺少相关法律法规的支持，各级政府以及相关的部门在海上溢油应急反应的职责和法律关系不明确，国家缺少一部类似《美国90油污法》的海上溢油应急反应的法律。“威望”号油轮的溢油事件已经给了我们足够的警示，因此，尽快完善国家溢油应急反应法律，建立国家溢油应急反应机制，是当前加强中国海上溢油污染损害防治工作紧迫而必须要解决的问题。科
●
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（上接第106页）路的性能。由于光耦是电流驱动型器件, 其LED 的工作电流为1mA ～20mA, 因此, 运算放大器的驱动电流也必须达到20mA, 我们选用的运算放大器LM358的电流驱动能力达40mA 。
表1实际电路输入输出电压比较表
序号
输入电压Vin （V ）
输出电压Vout （V ）
误差值ΔV
[1**********]
[1**********]
1.032.053.0844.1075.1386.187.188.219.2210.24
0.030.050.0840.1070.1380.180.180.210.220.24
（4）I PD1=0.005IF
I PD1就相当于光耦TLP521-2的光敏三极管通过的电流，I F 就相当于发光二极管通过的电流，那么，隔离模拟信号为5V 时：
R 1=Vin/IPD1=5/0.005*20=50KΩ（5）
实际我们使用中，为了能隔离0-10V 信号，将R 1选择为100K ，R 3
阻值等于R 1。
3总结
经过对线性光耦隔离电路的理论分析，给出了一个由光耦TLP521-2和运放LM358构建的模拟信号线性隔离采样电路，并详细介绍了器件的选择方法。在实际电路测试中，采用两组隔离电源，测量输入(0-10V)和输出的误差在10V 时最大为0.24V 左右，模拟电压越小，误差越小，1V 模拟量时误差在0.03V ，做到了隔离并信号基本不失真，可适用于一般精度要求的采样或模拟量输出的场合。科
【参考文献】
［1］沙斐. 机电一体化系统的电磁兼容技术. 北京理工大学EMC 技术培训教材. ［2］LM358数据手册. ［3］TLP521-2数据手册. ［4］HCNR200/201数据手册.
作者简介：郭庆亮，毕业于电子科技大学电气自动化专业，工程师，现在中国电子科技集团公司第41研究所工作，工作方向为孵化厅自动化产品电气开发。
电阻的选型需要考虑运放的线性范围和光耦TLP521-2的最大工作电流Imax 。例如需要隔离0-5V 的模拟量信号，如何选择电阻？首先光耦的输入二极管的电流在1-20mA ，在输出5V 的情况下，电流最大20mA 时，所以电阻R3为250Ω。
Agilent 公司的HCNR200/201的官方资料中给出：
［责任编辑：翟成梁］
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