帶模擬光耦隔離的信號放大電路的設計

于 鐳，田家彩，陳振喜

(青島科技大學 自動化與電子工程學院，山東 青島 266042)

在現實工程項目中，通常需要對某一非電物理量進行檢測。對這種非電物理量的檢測一般是通過傳感器或其他途徑采集獲得，但是所得到的信號很小，不能直接進行濾波、運算等處理，必須對這個微弱信號進行放大。而本設計檢測電路就是放大處理電路，實際上就是對來源于傳感器的微弱信號的放大處理。這要求放大器應具有較強的抑制共模信號的能力，還要求增益高，性能穩定，尤其是零點漂移、溫度漂移、增益、穩定性等指標要求較高，也就是要能對信號實現精密放大處理，滿足計量要求[1]。

1 電路的設計與分析

本電路主要分為3部分：輸入電路、模擬隔離電路和輸出電路，其結構圖如圖1所示。

圖1 電路結構圖

本文設計的儀用放大器電路主要是針對傳感器的微弱信號的檢測放大，其電路圖如圖2所示，電路分為3級，分別介紹如下。

1.1 輸入電路

輸入電路為第1級，使用4個LM324集成運放構成儀用放大電路作為輸入電路，該輸入電路具有放大倍數及放大精度高、共模抑制比高、穩定性好、應用廣泛的特點，經常應用于精密儀器電路和測控電路中，而且還避免了使用專用儀用放大器價格高的缺點[2]。該輸入電路的輸出電路是個加法器，電路中滑動變阻器通過電壓跟隨器加到電路上，可以通過調節變阻器來調節輸入信號為零時，使得輸入電路的輸出為零。通過調節 R3、R4、R53個電阻的關系設計輸入級的放大倍數，其公式為：

其中，R1=R2，R4=R5，R6=R7，R9=R10，R12=R13，R14=R15，R16=R17，URP為滑動變阻器經電壓跟隨器輸出的電壓。

1.2 隔離電路

隔離電路為第2級，實現外部電路與內部核心電路的有效隔離，避免外部干擾對內部控制芯片的影響[3]。主要包括模擬隔離放大器HCPL-7840和保護電路，68 Ω的電阻用于HCPL-7840輸入限流。由于前一級儀用放大器的放大倍數比較高，為了防止輸出高電壓對HCPL-7840模擬隔離放大器的損壞，在HCPL-7840輸入端接上了2個并聯的二極管用于限制HCPL-7840的輸入電壓，同時輸入端連接了0.01 μF的電容，用于濾波[4]。此外，HCPL-7840不僅是隔離電路，還具有很好的信號放大功能，放大倍數為8倍。

1.3 輸出電路

通過以上對電路分析可知：對整個電路的放大倍數的設計除了模擬隔離放大器固有的8倍的放大倍數外，還可以通過輸入電路和輸出電路兩部分中的放大部分進行調節，得到需要的放大倍數。需要注意的是：模擬隔離放大器HCPL-7840的輸入有要求，線性區電壓應在-200 mV～+200 mV之內。

本電路使用雙電源設計，其好處主要有兩點：(1)很多傳感器都是電橋形式的傳感器(如壓力傳感器)，通過打破電橋的平衡得到輸出與壓力成正比的電信號。可以使用雙電源給傳感器供電，使得電橋的共模電壓在0 V左右；(2)HCPL-7840的最高供電電壓為 5.5 V，而傳感器的供電電壓相對比較高，在 10 V～15 V，所以使用雙電源(+5 V和-5 V)可以使得兩者兼容。

同時本電路中注重電磁兼容性的設計，為每個集成芯片 LM324、HCPL-7840都設計了 0.1 μF的去耦電容。去耦電容主要連接在電源和地之間，它有三個方面的作用：(1)作為本集成電路的蓄能電容；(2)濾除該器件產生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進行傳播的通路；(3)旁路掉該器件的高頻噪聲，防止電源攜帶的噪聲對電路造成干擾[5]。

2 電路的實驗數據分析

表1 試驗數據(單位:mV)

為了檢測設計電路的性能，根據圖2中元器件參數配置進行了實驗。這種元器件配置各級放大倍數設計為：第1級為14.33倍；第 2級，也即模擬隔離放大器固有的8倍放大倍數[6]；第3級為1.5倍，總的放大倍數為172倍。整個電路的輸入，使用張力傳感器(壓力傳感器的一種，主要用在織布機上，用于對紗線張力的檢測，該傳感器電路為電橋形式的電路)的輸出作為輸入，通過掛已知質量的砝碼拉伸張力傳感器，使張力傳感器輸出電壓值。同時在電路中設置3個測試點，以檢測各部分電路的放大處理性能。3個測試點分別是：(1)Test1，模擬隔離放大器的輸入；(2)Test2，模擬隔離放大器的輸出；(3)Test3，電壓跟隨器的輸出作為最終輸出。通過實驗測得的實驗數據如表1所示。

使用MATLAB仿真軟件分析實驗數據，得出的各個測試點對輸入電壓的關系曲線如圖3所示。使用MATLAB中的線性擬合指令，計算出各測試點對輸入的函數關系，函數曲線為線性曲線，分別為：儀用放大器級輸出曲線：y=14.56x+1.611，模擬光耦輸出級曲線：y=115.3x+15.57，最終輸出級曲線：y=174.3x+12.34。

從圖中可以看出，各級的電壓均為線性輸出，第1測試點放大倍數為14.56倍，第2測試點放大倍數為115.3倍，第3測試點放大倍數為174.3倍，基本符合理論設計。第1測試點到第2測試點的放大倍數為7.92倍，基本為8倍，驗證了模擬隔離放大器8倍的放大倍數。

本電路是從使用角度出發而設計的，目前已經應用于作者參與的噴氣織機電控系統的設計項目中，用來對噴氣織機上張力傳感器檢測的信號進行隔離放大。經過長期的實驗和觀察，該電路對張力傳感器檢測信號的放大和隔離起到了很好的作用。

[1]王淑紅.測控電路與器件[M].北京：清華大學出版社，2006:4-5.

[2]肖景和.集成運算放大器應用精粹[M].北京：人民郵電出版社，2006:21-25.

[3]張輝，陳粵國.Motorola單片機應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，1999(4):11-28.

[4]趙慶明.性光電隔離放大電路的設計[J].電測與儀表，1999(12):26-27.

[5]孫成正，尹文慶，趙建平，等.植物電信號前置放大電路的設計與仿真[J].電子測量技術，2007(7).

[6]MEINEL W，SMITH C.Hernetic analog isolation ampprol of 1987 Int，Symp[C].On Microelectronics Minneapolis Mir.USA.28-30 Sept，1987.