浙大光电耦合应用电路设计实验报告

实验报告

课程名称：电路与电子技术实验II 指导老师：成绩：实验名称：光电耦合应用电路设计实验类型：电子技术设计性实验

一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得

一、实验目的和要求

1.了解光电耦合器件和光电耦合隔离放大器的工作原理。

2.学会常用（典型）光电耦合器件的使用。

3.掌握光电耦合器件常用电路的设计、分析和调试方法。

4.认识并区分名字概念：隔离放大、不共地。

二、实验内容和原理

1.实验内容

（1）光电耦合器件原理（数据手册）。

（2）光电耦合器件的基本特性。

（3）光电耦合器件的开关电路。

（4）光电耦合器件的线性电路。

2.实验原理

（1）隔离放大器

（i）定义：输入、输出之间没有直接电气关联的放大器。

（ii）结构框图：

（iii）电路符号：

（iv）特点/优势：

①减少噪声，共模抑制能力高。

②采用两套独立的供电系统，信号在传输过程中没有公共的接地端。

③有效保护后续电路不受前端高共模电压的损坏。

（v）应用：

①电力电子电路中用于主回路与控制回路的隔离（如电机控制系统中）。

②测量环境中含有较多干扰和噪声的场合。

③生物医学中与人体测量有关的设备（如生物电信号，保证人体安全）。

（vi）耦合方式：

①变压器耦合方式：

利用变压器不能直接传输低频（包括缓变或直流）信号这一特性，实现对低频信号的隔离；又称电磁耦合。

②光电耦合方式：

利用光电耦合器件或光纤传递信号。

（2）光电耦合

（i）常见内部结构：（以PN结为基础）

（ii）工作原理：

①输入端输入信号，发光管发光（发光强度与输入电流大小有关）。

②发光管与光敏器件之间采用透明绝缘材料隔离。

③光敏器件依据光电效应产生输出电流（大小与受光强度有关）。

（iii）典型应用：

V I为低时，发光二极管导通发光，光敏三极管受光导通，V O为低；V I为高时，发光二极管不导通，光敏三极管不导通，V O为高。（数字信号的同相传输功能）

（iv）优势：

体积小、成本低、带宽高、能与TTL电路兼容（直接驱动TTL电路或被TTL 电路直接驱动）、接口电路简单、使用方便等，在数字电路的隔离中得到了广泛的应用，并具有广阔的发展前景。

（v）非线性：

光电耦合器件中的发光管、光敏管都是非线性器件，线性区范围很小；一般难以用于模拟（线性）电路应用；光耦：非线性光耦。

（vi）补偿式线性放大电路：

工作原理：

（C：用于改善电路的稳定性和频率特性）

补偿原理：若Io2↓，则Io1↓，A1 级电路的反馈量↓，净输入量↑，输出量If↑；于是：Io2↑（Io2 基本稳定）。

（vii）主要参数：

①隔离电压。

②电流传输比CTR：二极管型（0.2~0.3%），普通三极管型（20~300%），达林顿管型（100~1500%）。

③开关特性：传输速率，转换速率，带宽。

（3）LM358芯片

管脚示意图：

（4）TLP521-2芯片

（i）管脚示意图：

（ii）TLP521系列：

①单/双/四通道的低速光电耦合器。

②隔离电压2500V。

③转换速率相对偏低，一般适用于几百kHz以下的信号传输。

三、主要仪器设备

1.TDS1002型示波器一台。

2.信号发生器一台。

3.运算放大器LM358两个。

4.学生电子技术实验箱一个。

5.导线若干。

6.TLP521-2芯片一个。

7.稳压源一个。

四、操作方法和实验步骤

1.按上图所示电路进行连线，用万用表的直流电压档测量输入和输出，并记录实验数据。

2.按上图所示电路进行连线，用万用表的直流电压档测量输入和输出，并记录实验数据。

3.按上图所示电路进行连线，分别输入2V和0V直流电压，观察发光二级管的亮灭情况。

4.按上图所示电路进行连线，分别输入2V和0V直流电压，观察发光二级管的亮灭情况。之后输入方波0-2VDC时，观察发光二极管亮灭情况；输入三角波0-2VDC时，观察发光二极管亮灭情况。

5.按上图所示电路进行连线，用万用表测输入直流电压0~3VDC，输出直流电压约为0~3VDC。

6.按上图所示电路进行连线，注意C2电容大小，若V DD=15V，则C2为1000pF。输入信号是正弦波、三角波信号（低频100Hz以下）时，用示波器双踪显示v I、v O的波形，再将显示格式改为XY格式，测量电压传输特性曲线，记录波形可用图片。输入正弦电压峰峰值2.2Vpp，输出正弦电压峰峰值约为2.2Vpp。

7.光电耦合的伏安特性测量

（1）输入伏安特性测量

要求输入为0~5VDC电平信号，对应输出约为15~0VDC的电平转换。

①根据测量结果绘制输入伏安特性曲线。

②分析R L固定时，R1值应多大才合理？

（2）输出伏安特性测量

①根据测量结果绘制伏安特性曲线。

②分析V CE增大时，V F是增大还是减小。

③分析V CE增大时CTR值的变化。

8.测量反相器的最高工作频率

输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10VV pp后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成锯齿波时用示波器测量其峰峰值V pp、频率。示波器双踪显示v I、v CE的波形，记录波形可用图片。分析该反相器的最高工作频率（或传输速率）应多大才合理。

五、实验数据记录和处理

1.电平转换电路：将输入的0~5V转化为输出的0~15V。