基于HCNR201的电压采集隔离电路
基于hcnr201线性光耦的飞机高压信号隔离电路设计
link appraisement
王 博 仲维彬
装备部驻西安地区军事代表局
王博（1982-）硕研，航空装备质量监督管理。
基于HCNR201
的手册信息，K3为
（4）
的选择，可将输入电压缩小一定
的隔离调理。
5uA~100uA，因此在运放的反向管脚通过
可见，该电路将输入信号缩小了
集模块的输入电压范围。
图1 线性光耦hcnr201的内部结构
（1）
由式（1）可见，通过二极管的电流
串联的电阻有关系。
又因为两只发光二极管通过的电流有如
图2 线性光耦的应用
图3 高压信号隔离电路
图4 试验电路
实验结果
为了验证该电路的性能，设计了如图4所示的试验板，通过在输入端施加不同的信号值，对输出的模拟电压信号进行测量，测量的最终结果如下表1所示：
27页）
600m）；
滚转角保持范围：－21°～15°（一般在转弯过程中直升机滚转角会变大）；俯仰角保持范围：－5°～空速保持范围：22.5m/s～27.3m/s（给定空速指令。
基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计
基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计模拟信号量值采集的精确度和稳定度决定了整个项目的运行可靠程度，然而，现场环境恶劣，干扰严重，为了对模拟信号的线性转换而不把现场的各种噪声干扰引入到控制系统，必须将被测模拟信号与控制系统之间进行良好的线性隔离。
一般情况下，直流隔离措施可采用专用隔离运算放大器（ISO124 系列）加配一个高精度隔离直流电源，通过电气耦合的方式来实现被测模拟信号与控制系统的线性隔离，但这种方法成本较高而且温漂较大。
本文采用线性光耦HCNR201 实现了被测模拟信号与控制系统之间的线性隔离。
线性光耦的隔离原理与普通光耦没有太大差别，只是将改变了普通光耦的单发单收模式，增加一个用于反馈的光电二极管并且增大了线性区域。
两个光电二极管都是非线性的，但其非线性特性都是一样的，所以可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而实现了信号的线性传递。
HCNR201 的工作原理HCNR201 是Avago 公司推出的高线性光耦器件，通过外接不同的分立器件，可以实现交直流电流和电压的光电隔离转换电路，其内部结构如图1 所示。
HCNR201 由高性能的AlGaAs 型发光二极管及两个具有严格比例关系的光电二极管PD1 和PD2 构成。
当发光二极管中流过电流IF 时，其所发出的光会在光电二极管中PD1、PD2 感应出正比于LED 发光强度的光电流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2 满足以下关系：(1) (2) (3)式中K1、K2 分别为发光二极管PD1、PD2 的电流传输比，其典型值为0.48，范围为0.36～0.72；K3 为该光耦的传输增益，其典型值为1，范围为0.95～1.05。
图1 HCNR201 内部结构图光电二极管PD1 接入输入回路，用于检测和稳定AlGaAs 型发光二极管的发。
光耦HCNR201内部原理及隔离电路
光耦HCNR201内部原理及隔离电路一、概述以avago公司的hcnr201线性光耦为例说明线性光耦的内部原理及隔离电路的原理。
对于数字信号的隔离，使用一般的光耦器件隔离就能达到很好的效果。
然而一般的光耦具有较大的非线性电流传输特性且受温度变化的影响较大，对于模拟信号的传输其精度和线性度难以满足系统要求。
为了能更精确地传送模拟信号，用线性光耦隔离是最好的选择。
线性光耦输出信号随输入信号变化而成比例变化，它为模拟信号传输中隔离电路的简单化、高精度化带来了方便。
在工业测量和控制系统中，为防止外界的各种干扰，必须将测量系统和计算机系统进行电气隔离。
常用的隔离措施有变压器隔离、电容耦合隔离和光耦隔离。
与变压器隔离、电容耦合隔离相比，光耦体积小，价格便宜，隔离电路简单且可以完全消除前后级的相互干扰，具有更强的抗干扰能力。
二、hcnr201线性光耦隔离原理线性光耦hcn r201内部结构原理如图1所示。
hcnr201由一个高性能发光二极管led和两个相邻匹配的光敏二极管pd1和pd2组成，这两个光敏二极管有完全相同的性能参数。
led 是隔离信号的输入端，当有电流流过时就会发光，两个光敏二极管在有光照射时就会产生光电流，hcnr201的内部封装结构使得pd1和pd2都能从led得到近似光照，且感应出正比于led发光强度的光电流。
光敏二极管pd1起负反馈作用用于消除led的非线性和偏差特性带来的误差，改善输入与输出电路间的线性和温度特性，稳定电路性能。
光敏二极管pd2是线性光耦的输出端，接收由led发出的光线而产生与光强成正比的输出电流，达到输入及输出电路间电流隔离的作用。
正是hncnr201内部的封装结构、pd1与pd2的严格比例关系及pd1负反馈的作用保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。
高线性模拟光耦 HCNR201 原理及其在检测电路中的应用
高线性模拟光耦 HCNR201 原理及其在检测电路中的应用摘要：HCNR201 是HP 公司生产的高线性度模拟光电耦合器，它具有很高的线性度和灵敏度，可在检测系统中精确地传送电压信号。
文中介绍了高线性度模拟光耦HCNR201 的内部结构和工作原理，给出了用 HCNR201 和运算放大器实现检测电压的隔离传输电路。
关键词：光电耦合器件；隔离；测量电路；HCNR2011前言在测试系统中，为了减少环境噪声对测试电路的影响，确保测量结果的准确性，往往将被测电路与测试电路在电气上进行隔离，这就需要光电耦合器。
普通光电耦合器具有非线性电流传输特性，这对于数字量和开关量的传输不成问题，但对于模拟量的传输精度则很差。
本文介绍了 HP 公司生产的一种高线性度模拟光电耦合器 HCNR201 主要结构和工作原理。
笔者曾在某随动检测系统中使用 HCNR201 来精确地传送检测板所需的电压信号。
并进行前向信道与后向信道的隔离，取得了满意的效果。
2HCNR201 的结构及工作原理HCNR201 光电耦合器是一种由三个光电元件组成的器件，主要技术指标如下：●具有±5％的传输增益误差和±0．05％的线性误差；●具有 DC～1MHz 的带宽；●绝缘电阻高达 1013Ω，输入与输出回路之间的分布电容为 0．4pF；●耐压能力为一分钟 5000V，最大绝缘工作电压为 1414V；●具有 0～15V 的输入／输出范围。
HCNR201 光电耦合器的内部结构如图 1 所示，其中 LED 为铝砷化镓发光二极管，PD1、PD2 是两个相邻匹配的光敏二极管，这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从 LED 得到近似的光照，因而消除了LED 的非线性和偏差特性所带来的误差。
当电流流过 LED 时，LED 发出的光被耦合到 PD1 与PD2，从而在器件输出端产生与光强成正比的输出电流。
在使用时，可将第 3、4 输出端与第 1、2 输入端一起接入控制回路，其中第 3、4 端的光敏二极管起反馈作用，它可将产生的输出电流再反馈到第 1、2 端的LED 上，以对输入信号进行反馈控制。
基于HCNR201的电压采集隔离电路设计_尤文艳
ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ（投 稿 专 用 ）
２０１２ 年第２ 期
６ ７
能发 光 二 极 管 ＬＥＤ 及 具 有 严 格比例关系的 光 电 二 极 管 ＰＤ１ 和 ＰＤ２ 构 成，ＨＣＮＲ２０１ 原 理 图如图４所示。ＬＥＤ 发出的光 被 ＰＤ１、ＰＤ２接收，其中 ＰＤ２用 于 产 生 输 出 电 流 ；ＰＤ１ 用 于 伺 图４ ＨＣＮＲ２０１原理图 服回授机 制 上，对 发 光 ＬＥＤ 的 导通电流予以补偿 ，改善输入与输出电路间的线性和 温 度 特性。这种结构保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。
１ 系 统 设 计 方 案
电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为 ：首 先 数 据采集电路采集电池状态信息数据 ，再由单片机进行 数 据 处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能 模 块 发出控制指令，并向外界传递信息 。电池管理系统中 最 为 重要的就是如何把数据采集到单片机中。
电池管理系统有集中式和分布式。分布式电池管理 系统方案是指为每节电池配备一个子模块 ，每一个子 模 块 能单独完成 电 池 电 压 、温 度 采 集，隔 离，Ａ／Ｄ 转 换 以 及 通 信等功能。分布式电池管理系统结构框图
２ 基于 ＨＣＮＲ２０１的电压采集电路 ２．１ 电 压 采 集 电 路
目前有很多用于锂电池电压采集的方法 ，如电阻 分 压 法和锂电池管理系统专用芯片法等。由于单体锂电池数 据采集系统只采集单体电池的电压 ，故直接将电池两 端 的 电压 进 行 差 分 即 可。 电 压 采 集 电 路 如 图 ３ 所 示。 ＡＱＷ２１４为高性能 和 经 济 型 兼 备 的 半 导 体 继 电 器 ，用 其 来断开电池与测量电路 ，使得电池电压采集系统不工 作 时 不会通过 测 量 电 路 漏 电 。 除 此 之 外，ＡＱＷ２１４ 也 充 当 了 保护电路的角色 ，因 其 开 路 时 的 漏 电 流 极 小，所 以 开 关 断 开时不会威胁到电路的准确性和安全性。
基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离电路
收稿日期:2009-09-30基金项目:国家自然科学基金重大仪器专项项目(40727001)作者简介:杨居朋(1985-),男,山东济宁人,硕士研究生,研究方向为信号采集与智能仪器.・电路与控制・基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离电路杨居朋1,2,王军民1,3,刘迪仁1,3(1.长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北 荆州 434023;2.长江大学电子信息学院,湖北 荆州 434023;3.长江大学地球物理与石油资源学院,湖北 荆州 434023) 摘 要:在瞬变电磁勘探中,需要在高压强电磁环境下采集电磁信号进行反褶积运算.如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁.设计了一个基于高精度线性光耦器件HCNR201双极性信号隔离转换电路,并介绍了高精度线性光耦器件HCNR201的主要特性及工作原理.应用于实际仪器的实验结果表明,该电路具有良好的线性度、准确度和适用性.关键词:线性光耦;HCNR201;隔离;双极性信号转换中图分类号:T N256 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2009)06-0051-04Design of Isolated Circuit of Bipolar Signal B asedon Linear Optocoupler HCNR 201YAN G J u 2peng 1,2,WAN G J un 2min 1,3,L IU Di 2ren 1,3(1Key L aboratory of Ex ploration Technologies f or Oiland Gas Resources ,M O E (Yangtze U niversity ),Jingz hou 434023,China ;2School of Elect ronics and Inf orm ation ,Yangtze U niversity ,Jingz hou 434023,China ;3School of Geophysics and Oil Resources ,Yangtze U niversity ,Jingz hou 434023,China ) Abstract :Data acquisition in transient electromagnetic method (TEM )is in a high voltage and strong elec 2tromagnetic field.If there is not electric isolation between analog quantity and digital amount ,the high voltage is easy to entry in the low voltage device and destroy it.A bipolarsignal isolation circuit was designed based on the features of the high 2linearity optocoupler HCN201,and the working principle and the features of the high 2linearity optocoupler HCN201were introduced.The experimental results show the circuit has the better lineari 2ty ,high acuracy and practicability in TEM system. K ey w ords :analog optocoupler ;HCNR201;isolation ;bipolarsignal conversion 在瞬变电磁勘探中,需要在高压强电磁环境下采集发射源信号进行反褶积运算.如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁.且各干扰信号会随着采集信号进入采集系统,这些干扰信号的叠加会降低信号的信噪比[1,2],不利于以后的信号处理.因此在高压强电磁环境下进行信号采集必须使采集系统与采集信号实现有效的电气隔离.光电隔离可以避免高压窜入低压的采集系统,且光电耦合器输入阻抗小于干扰源的内阻,因而使叠加于被测信号上的干扰信号被极大地衰减,从而保证采集信号的准确度.线性光耦HCNR201为一模拟信号光电隔离器件,可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离,输出跟随输入变化,线性度达0.01%,并且可以避免内部外部电路因接地不同而带来的误差.目前,基于该器件对单极性信号隔离的电路比较多[3-5].双极性信号高线性第24卷第6期2009年12月 光电技术应用EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION Vol.24,No.6December.2009度隔离比单极性信号高线性度隔离复杂,这方面的研究也比较少.基于该器件工作原理特性,设计出一种基于线性光耦HCNR201双极性信号的隔离电路.1 HCNR201简介HCNR201的原理如图1所示.它由发光二极管D1、反馈光电二极管D2、输出光电二极管D3组成.当D1通过驱动电流I f时,发出红外光(伺服光通量).该光分别照在D2、D3上,反馈光电二极管D2吸收光通量的一部分,从而产生控制电流I1图1 HCNR201结构图(I1=0.005I f).该电流用来调节I f以补偿D1的非线性.输出光电二极管D3产生的输出电流I2与D1发出的伺服光通量成线性比例.令伺服电流增益K1=I1/I f,正向增益K2=I2/I f,则传输增益K3=K2/K1=I2/I1,K3的典型值为1.该器件的非线性度为0.01%,带宽大于1MHz,额定隔离电压为8000V.但不可以无限期在任意温度下隔离8000V电压.其连续运行隔离电压为1414V.2 双极性信号隔离电路设计基于HCNR201的特性设计了一种双极性信号隔离电路如图2所示.该电路由互补的两部分组成,光耦1用于正极性信号的隔离,光耦2用于负极性信号的隔离.在隔离电路中,R2调节初级运放A1输入偏置电流的大小,C1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管L ED受到意外冲击.R1可以控制L ED的发光强度,从而对控制通道增益起了一定作用[6].图2 双极性信号隔离电路2.1 隔离电路原理分析该电路由互补电路组成,正极性信号隔离电路与负极性信号隔离电路原理相同,只是信号输入方向和电压极性相反.因此只以正极性信号隔离电路做为分析,其隔离电路如图3所示.在图3中,I1=K1・I f,I2=K2・I f,其中K1、K2为伺服电流增益和正向增益.由电路可知V in=I1・R2=K1・I f・R2(1)V out=I2・R3=K2・I f・R3(2)则电路电压增益为G=V out/V in=(K2・I f・R3)/(K1・I f・R2)(3)在线性光耦HCNR201中K2=K1.所以G=R3/R2(4) 从式(4)可以看出,该隔离电路的电压增益只与电阻R3和R2有关,与光耦的电流传输特性无关,从而实现电压信号隔离.25 光 电 技 术 应 用 第24卷图3 正极性信号隔离电路2.2 运算放大器A 1、A 2的选择HCNR201是电流驱动,其工作电流要求1～20mA ,因此运放A 1的驱动电流必须可以达到20mA.由于隔离信号为双极性,则设计中采用双电源供电的LM358运算放大器,其输出电流可达40mA.运放A 2组成一电压跟随电路,实现输出电路的阻抗匹配.设计中运放A 2也选用双电源供电的LM358运算放大器.2.3 电阻R 1、R 2和R 3的取值由运放A 1(电路图如图3所示)虚断特性知U +=U -=V in(5)由电路图3可知I f =(V out -V d 1)/R 1(6)其中,V d 1为发光二极管D 1的正向压降.I 1=U -/R 2=V in /R 2(7)由于I 1=0.005I f [6],则式(6)、式(7)可化简为V in /R 2=0.005(V out -V d 1)/R 1(8)当R 1=0.005R 2时,V out -V d 1=V in ,即I f =V in /R 1,则R 1=V in /I f(9)设计中V in =-4～+4V ,由于MORNSUN 电源隔离器提供电源,因此V cc =+12V ,V ee =-12V ,为满足I f 取值范围1～20mA ,R 1=V in /I f =4/(20×10-3)=200Ω,R 2=R 1/0.005=40k Ω,R 3=R 2=40kΩ.2.4 隔离电路试验结果该电路首先在protuse 进行仿真实验,其输入信号为峰峰2V 的正弦波,(如图2)当只用光耦1进行信号隔离时,其输出波形如图4所示,由图4知光耦1只隔离正极性的信号,对负极性信号无隔离作用.当只用光耦2进行信号隔离时,其输出波形如图5所示,由图5知光耦2对正极性信号无隔离作用.当用光耦1和光耦2组成的互补电路(如图2)进行信号隔离时,其输出波形如图6所示,由图6知该互补电路可实现对双极性信号的隔离.图4 正极性信号输出图5 负极性信号输出图6 双极性信号输出该电路已用于井中大功率瞬变电磁场采集仪器中,所采集的井中大功率脉冲电磁场源发射电压与35第6期 杨居朋等:基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离 图7 井中大功率脉冲电磁场源的发射电压与电流波形电流波形如图7所示,所采电压信号为分压后发射源电压,其分压比例为1000:1.由图7可知最大电压为1.5V,则发射源电压为1500V,所采集最低电压为-0.4V,则发射源电压为-400V.为方便对电流信号的采集,把电流信号经0.5Ω电阻变为电压进行采集,由图7知所采集最高电压20V,流经放电线圈的电流为40A,其电流波形与理论推导的波形相一致.经试验验证在强电压环境(1500～-400V)下,连续对发射源信号进行采集,高压未烧毁采集卡.因此该隔离电路实现了对双极性信号隔离采集,且可隔离瞬变额定电压为8000V.3 结 束 语实验结果表明,应用线性光耦HCNR201组成的双极性信号隔离电路线性度好、电路简单,有效地解决了高压强电磁对高速采集系统的影响,且由于光耦输入阻抗小,极大地衰减了叠加在采集信号上的干扰信号,提高了信号的信噪比,提高了信号处理的精确度.文中所设计的双极性隔离电路以其低成本、高稳定度、高线性度的优点可广泛应用在自动化仪表输入输出隔离、热电偶的隔离、数据通信、电压电流检测和测量、工业控制等领域.参考文献[1] 谭颖琦,范大鹏,陶溢.基于线性光耦HCNR200的DSP采集电路设计与实现[J].电测与仪表,2006(6):46-48.[2] 秦伟刚.光电耦合隔离技术与应用[J].仪器仪表学报,2006(6):2603-2604.[3] 张宝生,王念生.基于高线性度模拟光耦器件HC2NR200模拟量隔离板[J].仪表技术,2005(5):59-60.[4] AN SAN G HOU.A Wide Bandwidth Isolation AmplifierDesign Using Current Conveyors[J].Analog IntegratedCircuits and Signal Processing,2004,40:31-38. [5] 邱吉冰,赵伟.电流小信号隔离采集板的设计与实现[J].自动化仪表,2007(4):61-63.[6] 李海波,林辉.线性光揭在电流采样中的应用[J].光电器件,2003(11):37-38.(上接第35页)(1)加工精度.加工精度须达到纳米级.普通的飞秒激光加工的精度还不能满足要求.高精集束电子流或其他高精度集束粒子流有可能成为理想的加工手段.(2)解决光敏元件的辐射耐受性问题.真空条件下直接面对太阳辐射的恶劣环境要求对器件或窗口材料的性能进行进一步的深入研究.潜在的解决形式如下:①进一步开发耐辐射光敏器件;②开发高一致性光学窗口材料;③采用算法精确处理器件和材料的一致性,减小误差.(3)数据处理帧频需要提高.提高AD转换器采样速度或改进算法.参考文献[1] 郁发新,孙琳琳.基于太阳矢量的皮卫星姿态角测量误差分析[J].吉林大学学报,2008,38(4):976-981. [2] 母方欣,方群,罗建军.基于最小二乘法的月球探测器自主导航[J].计算机仿真,2007,24(11):45-48. [3] 陈非凡,陈益峰.采用光学非线性补偿的两轴微型太阳敏感器[J].清华大学学报(自然科学版),2004,44(2): 197-201.[4] 何丽,胡以华.太阳敏感器的原理与技术发展趋势[J].电子元件与材料,2006,25(9):5-8.[5] 朱鸿泰,孙胜利,陈桂林.CMOS APS在太阳敏感器中的应用研究[J].红外技术,2004,26(4):76-79.[6] 何丽,胡以华,杨勇.一种新的APS数字式太阳敏感器测姿算法[J].传感器世界,2007,13(6):6-10.[7] 樊巧云,江洁,张广军.小型CMOS太阳敏感器[J].光电工程,2007,34(2):133-137.[8] 丁天怀,毕研刚,王鹏.基于CMOS APS的微型数字式太阳敏感器[J].清华大学学报(自然科学版),2008,48(2):203.[9] 居戬之,韦晓茹,朱亚一,等.CCD像元光电转换效率不一致性补偿技术[J].传感器世界,2007(10):18-22.[10] 朱鸿泰,孙胜利,陈桂林.基于CMOS APS高精度太阳敏感器[J].传感器世界,2006(9):26-30.45 光 电 技 术 应 用 第24卷。
模拟光耦器件HCNR201及其在高精度电压检测中的应用
’($O N%)%*
A !. K!P ,!O !!. K!P " !!A K!O "!!! K!J "
由 !A "#!O "#!Q" 式得
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显然 " 被测电压和输出电压之间存在着正比的关 系 " 只要适当选取电阻 !A#!O#!!#!J#!.#!P 的阻值 " 就 可以得到一定比例的隔离输出电压 $
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输出电压 ")"* *% +
实验结果
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B+>>C !B+>$! 时 " 相对误差均在 BD 以
下 " 证明用上述修正方法是非常有效 的 # 因此 " 在将本电路投入实际应用之 前"先 通 过 实 验 确 定 它 的 ! 值 "可 在 较大程度上提高测量电路的精确性 $ 另 外 "需 要 指 出 的 是 "由 于 选 用 的 运 放 EF$B!> 的 最 大 输 出 电 压 为
利用上述电路 " 对一只 CD*E,-A 进行了实验 " 结 !O " !Q " 由表 A 看出 " 由公式 ’!( 计算出 的 输 出 电 压 理 论 值 ’-+AJ#%0+ " 其相对误差一般在 ,+,W左右 $ 出现较大 误差原因主要有两个 + 其一是受测量电阻和电压的仪 器精度的限制 &其二 "取 ,NA 是不妥的 " 由于制造和封 !! " 装工艺所限 " 不同的 CD*E,-A 其传输增益 , 存在着 一定的差异 !, 一般在 -(UJSA(-J 之间 "$ 经过分析可以得到 " 一旦这个 实 验 电 路 搭 建 完 毕 " 那么导致上述产生较大误差的两个因素 就 确 定 了 " 根据表 A 中 ,NA 时的相对误差值 一般为 ,(,W 的现象 " 如果对公式 ’!( 进 行 修 正 " 取 , NAK,(,WNA(-,,& 此 时 有 ’%21%* NA(-,,V%3)%* N-(AJU%’+ & 那么 相对误差则减小至 AW 以下 ’ 见表 A (" 当输入被测电压在 A(J% 以上时 " 相对 误差在 -(JW以下 $ 同理 " 用同一电 路 对 另 外 J 只
线性光耦HCNR201在正负电压测量上的应用
邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新电子设计《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注线性光耦ＨＣＮＲ２０１在正负电压测量上的应用ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈＭｅｔｈｏｄｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｅｇａｔｉｖｅＶｏｌｔａｇｅＴｅｓｔｉｎｇ（中北大学电子测试技术国家重点实验室）张涛马游春张文栋ＺＨＡＮＧＴＡＯＭＡＹＯＵＣＨＵＮＺＨＡＮＧＷＥＮＤＯＮＧ摘要：介绍了线性模拟光耦器件ＨＣＮＲ２０１的基本原理；阐述了利用该芯片对电压量进行隔离测量的测试原理以及硬件电路；给出了试验数据以及数据处理结果；证明了改种测试方法的准确性。
关键词：ＨＣＮＲ２０１；光耦；电压的测量中图分类号：ＴＮ４０９文献识别码：ＢＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＨＣＮＲ２０１，ａｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｌｉｎｅａｒａｎａｌｏｇｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｏｆＨＰＣｏｍｐａｎｙ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｗｈｉｃｈａｐｐｌｙｔｈｅｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｔｏｔｅｓｔａｎｄｉｓｏｌａｔｅａｎａｌｏｇｖｏｌｔａｇｅｓｉｓａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ａｍｅｔｈｏｄｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａ－ｔａｉｓａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＣＮＲ２０１，ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ，ｌｉｎｅａｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ，ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ文章编号：１００８－０５７０（２００７）０２－２－０２９７－０２１引言在实际信号测量系统中，经常需要对一些恶劣环境下的现场信号进行采集，被采集的信号既可能是数字信号，也可能是模拟信号。
为了实现对信号的线性转换而不把现场的噪声干扰采集到测量系统中来，必须将被测信号和测量控制电路在电气上实现隔离，光电隔离法是一种比较常用的方法。
本文给出一种利用高精度线性模拟光耦器件ＨＣＮＲ２０１光电隔离法对模拟负电压信号进行采集的电路，并通过实验证明了此方法的正确性。
基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计
模拟信号量值采集的精确度和稳定度决定了整个项目的运行可靠程度，然而，现场环境恶劣，干扰严重，为了对模拟信号的线性转换而不把现场的各种噪声干扰引入到控制系统，必须将被测模拟信号与控制系统之间进行良好的线性隔离。
一般情况下，直流隔离措施可采用专用隔离运算放大器（ISO124系列）加配一个高精度隔离直流电源，通过电气耦合的方式来实现被测模拟信号与控制系统的线性隔离，但这种方法成本较高而且温漂较大。
本文采用线性光耦HCNR201实现了被测模拟信号与控制系统之间的线性隔离。
线性光耦的隔离原理与普通光耦没有太大差别，只是将改变了普通光耦的单发单收模式，增加一个用于反馈的光电二极管并且增大了线性区域。
两个光电二极管都是非线性的，但其非线性特性都是一样的，所以可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而实现了信号的线性传递。
HCNR201的工作原理HCNR201是Avago公司推出的高线性光耦器件，通过外接不同的分立器件，可以实现交直流电流和电压的光电隔离转换电路，其内部结构如图1所示。
HCNR201由高性能的AlGaAs型发光二极管及两个具有严格比例关系的光电二极管PD1和PD2构成。
当发光二极管中流过电流IF时，其所发出的光会在光电二极管中PD1、PD2感应出正比于LED发光强度的光电流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2满足以下关系：(1)(2)(3)式中K1、K2分别为发光二极管PD1、PD2的电流传输比，其典型值为0.48，范围为0.36～0.72；K3为该光耦的传输增益，其典型值为1，范围为0.95～1.05。
图1 HCNR201内部结构图光电二极管PD1接入输入回路，用于检测和稳定AlGaAs型发光二极管的发光强度，有效地消除了发光二极管的非线性、漂移等特性，而光电二极管PD2作为输出电路的一部分，能产生与发光二极管发光强度成线性关系的光电流，实现测量电路与输出电路之间的线性传递。
一种带隔离的模拟电压采集电路[实用新型专利]
![一种带隔离的模拟电压采集电路[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6765363978563c1ec5da50e2524de518974bd343.png)
(10)授权公告号 (45)授权公告日 2013.07.24C N 203084068 U (21)申请号 201220753473.5(22)申请日 2012.12.19G01R 19/25(2006.01)G01R 15/22(2006.01)(73)专利权人宁波伟吉电力科技有限公司地址315312 浙江省慈溪市龙山镇范市工业园区花园路10号(72)发明人胡志志 吴伟宗王爱吉(54)实用新型名称一种带隔离的模拟电压采集电路(57)摘要本实用新型涉及一种带隔离的模拟电压采集电路，包括将高压信号进行分压的分压电路，所述的分压电路连接一运放U1，所述的运放U1的输出端连接一光耦隔离芯片HCNR201，所述的光耦隔离芯片HCNR201的反馈输出端连接所述运放U1的反向输入端，所述光耦隔离芯片HCNR201的输出端连接一运放U2，所述的运放U2的输出端连接MCU 的A/D 检测端。
本实用新型的电压模拟量经过运放放大后直接连接到光耦隔离，再经过运放放大后传送到A/D 检测端，则即可计算出最初的电压值，本实用新型测量线性度好，测量精度高，而且耐高压。
(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书2页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书2页 附图1页(10)授权公告号CN 203084068 U*CN203084068U*1/1页1.一种带隔离的模拟电压采集电路，包括将高压信号进行分压的分压电路，其特征在于：所述的分压电路连接一运放U1，所述的运放U1的输出端连接一光耦隔离芯片HCNR201，所述的光耦隔离芯片HCNR201的反馈输出端连接所述运放U1的反向输入端，所述光耦隔离芯片HCNR201的输出端连接一运放U2，所述的运放U2的输出端连接MCU 的A/D 检测端。
2.根据权利要求1所述的一种带隔离的模拟电压采集电路，其特征在于：所述的运放U1和运放U2均采用TLC2272芯片。
基于高线性光耦HCNR201的交流信号隔离电路的实现
The realization of AC signal isolation circuit based on the highlinearity analog optocoupler HCNR201
YIN Yong-qiang1， WEI Meng-jie2， YU Hong-wei3 （1.Wuhan laborers Electric Automation Co., Ltd. Wuhan 430074, China. 2. Nanning superInformation Engineering Co., Ltd. Nanning 530000,China ） Abstract: In this article, the author studied deeply the characteristics of the high -linearity analog optocoupler HCNR201. Combing the especial need of design in the EVT (electric voltage transducer) , the author designed a kind of AC signal isolation circuit ,which is used in the isolation of the first side and the second side of 10kV EVT. The author deeply analyzed the principium of this circuit in theory, then found and analyzed the factors that maybe cause errors in the transmission of signal in the amplitude and the phase. In the end, the author validated the good performance of this circuit through experiments and simulation. From all the data based on the experiments and simulation, we can know that this circuit has the good characteristics such as low cost, high-linearity, high credibility and so on, so we can say that this circuit can be used in the 0.2-class 10kV EVT. Key words: AC signal， isolation， EVT， linearity， phase error
【CN109900947A】一种用于PWM整流器的隔离电压采样电路【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910286960.1(22)申请日 2019.04.11(71)申请人 湘潭大学地址 411105 湖南省湘潭市雨湖区羊牯塘街道湘潭大学(72)发明人 张义兵 陈双 王坚 (51)Int.Cl.G01R 15/22(2006.01)G01R 19/00(2006.01)(54)发明名称一种用于PWM整流器的隔离电压采样电路(57)摘要本发明提供一种用于PWM整流器的隔离电压采样技术方案，包括电压跟随电路、隔离放大电路、电流-电压转换电路、箝位电路。
该方案利用线性光耦实现隔离器件的输出对输入的快速跟随，保证了的线性度和动态响应速度；采用两级运放的模式，提高共模抑制比和抗干扰能力；设计工频滤波电路消除自激振荡，滤除毛刺信号，降低电路的输出噪声。
该方案具有线性度好、精度高、温漂小、抗干扰能力强的优点，在基于PWM整流器的四象限逆变器中具有广泛的市场前景和应用价值。
权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109900947 A 2019.06.18C N 109900947A权 利 要 求 书1/1页CN 109900947 A1.一种用于PWM整流器的隔离电压采样电路是由电压跟随电路、隔离放大电路、电流-电压转换电路、箝位电路组成；其特征在于：所述电压跟随电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器U1组成。
所述电压跟随电路中电阻R1一端连接待测电压信号Vin，另一端与运算放大器的同相输入端、电阻R2的一端连接；电阻R2一端连接运算放大器U1的同相输入端、电阻R1，另一端与GND连接；运算放大器U1的反相输入端通过电阻R3与运算放大器的输出端相连，运算放大器的同相输入端与电阻R1、电阻R2连接。
所述隔离放大电路由电阻R4、电阻R5电容C1、运算放大器U2、高精度线性模拟光电耦合器U3组成。
基于HCNR201漏电保护电路的设计
基于HCNR201漏电保护电路的设计唐会成【摘要】目前煤矿井下采掘设备自动化水平发展迅速,煤矿采掘设备漏电保护的可靠性问题显的越来越重要.论文中介绍了附加直流电源检测对地绝缘电阻的原理与保护方法,以及高线性模拟光电耦合器的工作原理,在此基础上提出了一种附加直流电源并可检测对地绝缘的漏电保护电路.实际测试结果表明该附加直流电源检测电路测量准确,克服传统煤矿采掘设备电气控制系统漏电闭锁保护无法检测阻值的缺点.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2019(032)001【总页数】3页(P28-30)【关键词】附加直流;漏电保护;光耦;绝缘电阻;HCNR201【作者】唐会成【作者单位】中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】TD680 引言随着我国煤矿采掘设备自动化水平的提高，机械化煤机设备的增多，煤矿井下供电系统的关系到井下操作人员的生命安全，当煤矿采掘设备上的供电线路绝缘水平低于标准值控制系统应及时保护，禁止采掘设备运行，从而避免触电事故保障人员安全，所以可靠的漏电保护措施对煤矿的安全生产越来越重要。
漏电保护是煤矿井下安全供电的三大保护之一，是防止瓦斯煤尘爆炸、人身触电以及设备安全运行的重要措施[1]。
目前，我国煤矿井下采掘设备的对地绝缘水平检测主要采用附加直流电源型漏电保护，其保护原理为电机供电前对电机及其供电电缆进行绝缘监测，当绝缘水平低于规定值时，漏电闭锁保护节点断开，接触器无法吸合，防止电机上电后发生漏电故障，其弊端是无法得知电机回路对地绝缘的准确电阻值，不能连续反映绝缘具体阻值，漏电保护功能有限。
因此，设计可反映电机对地绝缘阻值的附加直流监测电路对电气系统的漏电保护功能显的十分重要。
本文设计一种基于线性光耦HCNR200的附加直流电源检测电路，可以实现对采掘设备上各电机主回路实时对地绝缘阻值监测，操作人员可以通过人机界面在电机启动前的看到对地绝缘电阻值，可以预防减少由于漏电引发的人员触电和电机损坏故障，提高设备的安全性和可靠性。
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基于HCNR201的电压采集隔离电路
随着人们环保意识的增强以及能源的日趋紧张，锂电池的电动汽车受到国家和民众的广泛关注。
为确保锂电池安全使用，电动汽车在使用时都会配备一套电池管理系统。
针对电动汽车电池管理系统而言，又以前端数据采集、电池均衡管理、SoC电量计量、实时通信以及电池绝缘监测最为关键。
其中，前端数据采集最为基础。
然而，在电池数据采集系统中，需要解决的一个共性问题就是多个电池串联使用时高电压、测量系统等问题有可能会引起危险。
为了排除这些危险，在电池数据采集系统中要用到隔离电路。
进行现场测量时，也会有各种电磁干扰信号迭加在有用的被测信号上，会使测量的准确度降低。
为了保证系统工作的安全性，并且减少环境噪声对测试电路的影响，往往将被测电路与测试电路进行隔离，这就需要用到光电耦合器。
1 系统设计方案
电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：首先数据采集电路采集电池状态信息数据，再由单片机进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。
电池管理系统中最为重要的就是如何把数据采集到单片机中。
电池管理系统有集中式和分布式。
分布式电池管理系统方案是指为每节。