光耦線性化與線性光耦器件的應(yīng)用

　摘　要：比較全面的介紹了光耦器件在模擬信號(hào)隔離測(cè)試中的應(yīng)用，并且指出了保證測(cè)試精度需要采取的措施。
關(guān)鍵詞：光耦；線性；反饋；模擬信號(hào)

1　引　言
在單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，被測(cè)試對(duì)象信號(hào)的隔離對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作具有重要作用。這里主要有兩方面的考慮：
（1）保護(hù)被測(cè)試對(duì)象和測(cè)試電路，使其不會(huì)因?yàn)楸粶y(cè)試對(duì)象或測(cè)試電路的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。
（2）減小環(huán)境干擾對(duì)測(cè)試電路的影響。為保護(hù)后級(jí)設(shè)備、保證測(cè)量結(jié)果的有效性，測(cè)試電路與被測(cè)電路必須做到嚴(yán)格的電氣隔離。
光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應(yīng)用于輸入和輸出信號(hào)的電氣隔離。但是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸時(shí)，由于光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二級(jí)管和光敏三級(jí)管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限，一般來(lái)講，光耦器件主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)的隔離，而較少用于模擬信號(hào)的隔離。
目前對(duì)于模擬電信號(hào)的隔離主要有2種方法：一種是采用諸如霍爾器件等特殊傳感器，但其價(jià)格較貴；另一種是首先進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換或V／F轉(zhuǎn)換，再用光耦進(jìn)行隔離的方法，但處理過(guò)程較為復(fù)雜，并且不能使用單片機(jī)內(nèi)置的A／D口。如果能夠使用光耦器件完成對(duì)模擬信號(hào)的隔離，無(wú)疑是很有意義的。

2　普通光耦器件的線性化使用
光電耦合器由發(fā)光器和受光器2部分組成，發(fā)光器是一個(gè)發(fā)光二級(jí)管，受光器是一個(gè)光敏三級(jí)管，二者密封在同一管殼內(nèi)。當(dāng)受光器接受光照時(shí)，產(chǎn)生電流輸出。由于電信號(hào)以光線為傳輸介質(zhì)，因而實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出信號(hào)在電氣上的良好隔離。但是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸時(shí)，由于光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二級(jí)管和光敏三級(jí)管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上存在一定程度的非線性失真。
可以設(shè)想，如果采取措施使光耦器件的非線性問(wèn)題得以改善，那么利用光耦進(jìn)行模擬信號(hào)的隔離是可能的。根據(jù)以上假設(shè)，我們想到控制理論中反饋控制的特點(diǎn)，其中很重要的一點(diǎn)就是引入負(fù)反饋可以改善系統(tǒng)的線性度。
基于此想法，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電路進(jìn)行模擬量的隔離測(cè)量。
在本電路中，使用了2個(gè)普通光耦器件和2個(gè)運(yùn)算放大器，2個(gè)光耦一個(gè)用于輸出，一個(gè)用于反饋，反饋用來(lái)補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性的非線性。下面我們來(lái)分析一下電路的工作原理。

比較全面地介紹了光耦器件在模擬信號(hào)隔離測(cè)試中的應(yīng)用，并且指出了保證測(cè)試精度需要采取的措施。