基于MULTISM的智慧家居雙極性信號隔離電路仿真*

王 毅，包西平，劉海斌，李 帥

（徐州工業職業技術學院，江蘇徐州 221005）

0 引言

智能家居以住宅為平臺，整合網絡信息傳感技術將家中的設備進行聯合，實現用戶個性化需求，其中感知層利用傳感器來采集環境與狀態信息，將其作為參變量用于智慧家居系統的自動控制中，以創建一個便捷舒適、安全的家居環境[1]。

在智能家居的項目開發中，需要對傳感器的輸出信號進行處理。由于智能家居所用傳感器的輸出信號一般為弱電信號，其容易受到溫度漂移、電源波動等其他外界因素的干擾，進而使被測量值產生誤差甚至邏輯錯誤，最終導致系統無法正常運行，因而在智能家居系統的設計中，需要將采樣部分與傳感器部分進行隔離。現代智能家居電子系統設計中，信號隔離方法一般采用光電隔離的方法，它的優點為系統電路簡單、體積小、抗干擾能力強。其中高線性度的光耦是光電隔離中最常用的器件[2-3]。

美國Avago公司生產的線性光耦HCNR200是一種性能優良的模擬信號光電耦合器件，它可以較好地實現模擬量與數字量之間的隔離。線性度、帶寬與精度較高，其目前對于該器件在極性信號隔離測量電路應用比較多。雙極性信號高線性度隔離比單極性信號高線性度隔離復雜，這方面的研究也比較少。本文基于HCNR200工作原理特性，設計出一種雙極性信號的隔離電路，并基于MULTISM17.0仿真軟件搭建模型進行了仿真驗證。

1 HCNR200簡介

HCNR200光電耦合器的內部結構如圖1所示，它的內部主要結構包括發光二極管LED，PD1、PD2為光敏二極管，流過發光二極管的電流為IF時，光敏二極管PD1、PD2中會感應出正比于 IF的光電流 IPD1、IPD2，IF、IPD1、IPD2滿足如下關系[4]：

式中：K1、K2分別為光敏二極管PD1、PD2的光電耦合器的電流傳輸比；K3為光電耦合器的電流傳輸增益，典型值為1。

PD1、PD2可以互換，由于芯片引腳分布的原因，一般將PD1作為輸入端、PD2作為輸出端。

圖1 HCNR內部電路

2 基于HCNR200的雙極性輸入隔離電路原理分析

對于雙極性信號的輸入電路，HCNR200的使用手冊給出了一種方案，此種方案使用了兩片HCNR200，一片用于處理正的電壓信號，另一片用于處理負的電壓信號[5-6]。它的系統方案如圖2所示。從圖中可以看出這種方案使用了2片運放，這2片運放用在輸入與輸出的兩側，由于現在一般的集成運放內部都有2組或4組的運放，此種方案沒有使用到集成運放中的其他組運放，這樣就會造成硬件系統某種程度上的浪費，從而提高了系統在硬件上的成本。

圖2 雙極性電壓輸入隔離放大器方案1

針對上述問題，本文提出了一種方案，可以有效解決上述問題。電路的結構示意圖如圖3所示。

圖3 雙極性電壓輸入的隔離放大器電路結構圖

這個方案在輸入輸出側各使用到了2片運放，因此可以提高系統硬件的利用率。完整的電路如圖4所示。

下面說明方案2的工作原理。U1:B輸出電壓為：

式中：R4=R5=R6=R7=10 kΩ，所以可以得出VinB可轉化為：

通過加法器電路將輸入電壓信號抬升了5 V，雙極性電壓信號變成了單極性電壓信號。如果被測電壓信號的范圍為-5～+5 V，這樣加法器電路的輸出就變為了0～+10 V。

光電隔離電路的計算（其中二極管電流IF=10 mA，IPD1、IPD2的電流范圍是5 nA～50 μA，K=1）：

圖4 雙極性電壓輸入隔離放大器電路方案2

R1=R3=200 kΩ，則運放U3:A的輸出電壓為：

其中R8=R9=R10=R11=10 kΩ，所以得出VinB可轉化為：

從而完成了輸入電壓信號與輸出電壓信號的隔離與電壓信號的還原。

3 隔離電路參數設計

3.1 運算放大器的選擇

HCNR200為電流型驅動的器件[7]，流過發光二極管的工作電流范圍為1～40 mA，同時輸入電壓與輸出電壓均為雙極性信號，因此本次設計中采用雙電源供電的LM358運算放大器，其輸出電流最高可達40 mA，運算放大器帶寬為1 MHz，可以滿足本次設計的需求。

圖5 雙極性電壓輸入隔離放大器仿真電路

3.2 R1 、R2、R3、C1的選擇

本文中HCNR200的LED的工作電流范圍選擇10～25 mA[8]，輸入交流正弦波電壓的幅值范圍為0～5 V。則電阻R2的范圍為：

選擇電阻R2的值為1 kΩ。

對于電阻R1，取R1=0.005 R2，則R1=200 kΩ。對于電阻R3，取R3=200 kΩ。對于C1，其作用為濾除電路中的毛刺信號，取10 pF[7]。

4 仿真分析與驗證

4.1 仿真軟件與仿真環境設定

Multisim是美國NI公司開發的業界一流的SPICE仿真標準環境，最新版的Multisim17.0進一步增強了模擬數字及混合仿真技術，可幫助設計研究人員分析模擬、數字和電力電子系統各種電路，從而提高了設計開發人員的工作效率。

在Multisim17.0中建立圖5所示電路，電路參數如下：

（1）輸入電壓信號為正弦波，偏置電壓設置為0 V，頻率設置為50 Hz；

（2）運放為LM358，供電電壓為雙電源供電，正負電源分別為-12 V，+12 V；

（3）R2=1 kΩ，R1=R3=200 kΩ，C1=10 pF；

（4）輸入與輸出參考地分別選擇GROUND與DGND。

4.2 仿真結果分析

輸入電壓幅值分別設置1 V、2.5 V、5 V，輸入波形和輸出波形如圖6～8所示。

圖6 輸入5 V（最大值）與輸出波形

圖7 輸入2.5 V（最大值）與輸出波形

圖8 輸入1 V（最大值）與輸出波形

對于范圍為-5～+5 V的正弦波輸入電壓信號進行測量[9]，選擇其中16組輸入電壓數據與輸出電壓數據，計算出誤差，如表1所示。

表1 輸入電壓與輸出電壓數據

根據表中所示的測試數據，利用MATLAB2017B軟件進行輸入電壓與輸出電壓信號特性分析，繪制了電路的輸入電壓信號與輸出電壓信號特性曲線，如圖9所示。由圖可以看出，輸入電壓信號值與輸出電壓信號值之間的擬合度較高，二者誤差較小，所以本文所設計的光電隔離放大器電路具有較高的精度與線性度。

圖9 輸入與輸出電壓

5 結束語

本文基于HCNR200光電耦合器，設計實現了雙線性被測模擬信號的線性隔離，給出了雙極性輸入隔離電路關鍵參數的設計，在MULTISM17.0仿真軟件中搭建了模型并進行了仿真驗證，實驗結果表明所設計的電路精度與線性度高，適合用于雙極性模擬信號的檢測系統。為進一步的硬件系統設計提供了良好的理論基礎。