葉 克 江

(1.廣東省外語(yǔ)藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 信息學(xué)院，廣東 廣州 510640;2.廣州江帆精工光電科技有限公司開(kāi)發(fā)部，廣東 廣州 510640. )

0 引言

凡需信號(hào)隔離或變換的場(chǎng)合，都需要信號(hào)隔離器。其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎與行業(yè)無(wú)關(guān)，因?yàn)槿魏涡袠I(yè)都可能需要信號(hào)的隔離傳輸、變換傳輸或采集控制。模擬信號(hào)線性隔離法通常有電磁隔離型、電容隔離型和光電隔離型3類，其自身的物理特性即極限線性度均為0.1%，從而決定了各種信號(hào)隔離器產(chǎn)品的極限精度均為0.1%。信號(hào)隔離的作用是為了解決地環(huán)流干擾、自然干擾及人為干擾等問(wèn)題，避免輸入、輸出端電路系統(tǒng)因接地點(diǎn)不同帶來(lái)的誤差及相互干擾，避免輸入、輸出端電路故障的相互影響，提高抗干擾能力。利用光電耦合器(簡(jiǎn)稱光耦)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的線性隔離在體積、成本、抗干擾能力和電路復(fù)雜度等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛的應(yīng)用[1]。

采用光藕實(shí)現(xiàn)的隔離，分為數(shù)字信號(hào)隔離和模擬信號(hào)隔離。數(shù)字信號(hào)的光耦隔離法簡(jiǎn)單，但模擬信號(hào)的光耦隔離較復(fù)雜，既要達(dá)到隔離效果，又要盡可能地保證模擬信號(hào)的線性傳輸[2]。為了提高極限精度，開(kāi)發(fā)了HCNR201[3]、LOC210[4]、TIL300[5]、SLC800[6]等一系列帶有自身線性化負(fù)反饋的線性光耦，這些線性光耦不僅提高了線性度(可達(dá)0.01%，非批量)，同時(shí)還改善了溫度特性和頻率特性，有力促進(jìn)了光電隔離型產(chǎn)品的應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)控制尤其是涉及航空航天或軍事應(yīng)用，都對(duì)信號(hào)隔離器提出了更高要求，即精度需要小于0.01%，成本低，溫度范圍寬，工作頻率較高等。而目前線性光耦的最佳線性度為0.01%(批量芯片的線性度一般為0.05%)，疊加電路系統(tǒng)前后級(jí)的各種誤差后，傳輸精度不可能小于0.01%。目前信號(hào)隔離器產(chǎn)品的正常工作溫度范圍很窄，以典型的HCNR201為例，其溫度系數(shù)高達(dá)-65×10-6/℃，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，溫度變化15 ℃就會(huì)引起約0.1%的誤差。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號(hào)隔離的解決方案，如典型的ADI的AD202[7]，能夠在從直流到幾千赫茲的頻率范圍內(nèi)提供0.025%的極限線性度(非批量)，但這種集成的隔離放大器因內(nèi)部電路復(fù)雜而成本高，外圍電路也很復(fù)雜，無(wú)法保證規(guī)模批量產(chǎn)品線性度的一致性，傳輸信號(hào)的頻率范圍很窄，溫度漂移系數(shù)較大，不適合大規(guī)模應(yīng)用。

本文以市場(chǎng)上常見(jiàn)的廉價(jià)線性光耦HCNR201為例，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，選擇合適的工作范圍，提出了一種臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法，該算法將硬件與軟件補(bǔ)償相結(jié)合[8]，大幅改善信號(hào)傳輸?shù)木€性度，輔以零點(diǎn)漂移的軟硬件補(bǔ)償措施(較簡(jiǎn)單)，實(shí)現(xiàn)了利用線性光耦的極高精度模擬信號(hào)隔離器的批量自動(dòng)化生產(chǎn)，其中線性光耦的極限線性度通過(guò)進(jìn)一步線性化后均可小于0.003%，信號(hào)隔離器的極限精度均小于0.01%，有效工作溫度范圍拓展為工業(yè)級(jí)(-40～+85 ℃)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 線性光耦HCNR201

HCNR201是Agilent公司生產(chǎn)的一種高精度線性光耦器件，線性度最佳值為0.01%，一般批量線性度為0.05%，同時(shí)，該器件帶寬可達(dá)1.0 MHz，增益溫度系數(shù)較低。這些特征決定了該芯片在模擬信號(hào)隔離中有廣泛的應(yīng)用。該芯片設(shè)計(jì)靈活，通過(guò)應(yīng)用電路的適當(dāng)設(shè)計(jì)可有很多工作模式，包括單極/雙極[9]、AC/DC及反相和同相，HCNR201為許多模擬信號(hào)隔離問(wèn)題提供了卓越的解決方案。HCNR201高線性模擬光耦內(nèi)含一個(gè)高性能AlGaAs-LED和2個(gè)高度匹配的光二極管(見(jiàn)圖1)。輸入光二極管可用來(lái)反饋監(jiān)測(cè)并穩(wěn)定LED的光度輸出，因此，LED的非線性和漂移特性幾乎被消除，輸出光二極管會(huì)產(chǎn)生線性對(duì)應(yīng)LED光輸出的光電流，光二極管間的緊密匹配和先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)可確保光耦的高線性度和穩(wěn)定增益。HCNR201的主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)：最佳線性度為0.01%，轉(zhuǎn)換增益K3=IPD2/IPD1(其中，IPD1為3、4引腳之間的電流，IPD2為5、6引腳之間的電流)(見(jiàn)圖1)的變化范圍為-5%～5%，K3的溫度系數(shù)最大值為-65×10-6/℃，帶寬高(DC～1.0 MHz)，通過(guò)全球安全規(guī)范認(rèn)證、提供表面貼裝或8-pin DIP封裝。HCNR201的結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用原理圖如圖2所示[6]。

圖1 HCNR201的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 HCNR201的典型應(yīng)用原理圖

圖1中，1、2引腳作為隔離信號(hào)的輸入控制腳，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出(7、8引腳不用)。1、2引腳之間的LED電流為IF。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓/電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，IPD1、IPD2基本與IF成線性關(guān)系，比例系數(shù)K1=IPD1/IF，K2=IPD2/IF，轉(zhuǎn)換增益K3=K2/K1=IPD2/IPD1。分析圖2可知，當(dāng)LED發(fā)光強(qiáng)度增加時(shí)，光二極管PD1的受光量會(huì)增加，導(dǎo)致IPD1變大，運(yùn)算放大器A1的反相輸入端電位降低，A1的輸出端電位升高，從而使LED的電流變小，LED發(fā)光量減少；反之亦然，于是穩(wěn)定了LED的發(fā)光量，同時(shí)穩(wěn)定了IPD2，使運(yùn)算放大器A2的輸出穩(wěn)定。采用負(fù)反饋技術(shù)，拓展了工作頻率帶寬，大幅改善溫度穩(wěn)定性。

1.2 硬件模塊結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)圖2的典型應(yīng)用原理圖設(shè)計(jì)的用線性光耦HCNR201實(shí)現(xiàn)隔離并進(jìn)一步線性化的部分實(shí)際電路如圖3所示。U6是線性光耦HCNR201，U2、U3和U7都是雙運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)AD822，U1是四運(yùn)放AD824，U8是雙100K數(shù)字電位器MAX5415，U4是四模擬開(kāi)關(guān)MAX4604，U5是雙10位數(shù)字模擬電壓轉(zhuǎn)換器LTC1661，G15 V是輸入端(被隔離端或稱前端)的隔離15 V電源，N是輸入端地線，L是輸入端電流4～20 mA的輸入點(diǎn)，該電流通過(guò)電阻R6=250 Ω轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓(當(dāng)取消R6時(shí)，L就成為隔離電壓信號(hào)的輸入點(diǎn))。電阻R7=550 kΩ等效圖2中的R1，使IPD1的工作電流為1.8～9.0 μA，R1(500 kΩ)與U8的B組串聯(lián)構(gòu)成圖2中的電阻R2，其中U8的B組用于粗調(diào)原始輸出電壓V2=V3的斜率，使之接近0.25 V/mA。U5的B組輸出電壓TJD是關(guān)鍵的臨界點(diǎn)電壓值(一般取3.0 V，可適當(dāng)調(diào)整)。當(dāng)V3TJD時(shí)，VK=0低電平，U4的第1組模擬開(kāi)關(guān)有效閉合，VY=V3，WA與VY相關(guān)實(shí)現(xiàn)線性光耦的進(jìn)一步線性化補(bǔ)償.電阻R10與R12分壓決定VA位于2.5 V附近，U5的A組輸出電壓TZB用于調(diào)節(jié)輸出特性曲線的零點(diǎn)，U1的第4運(yùn)放構(gòu)成加法電路，實(shí)現(xiàn)V3=V2與VA1=VA的合成，形成最終輸出電壓Vo=V4(當(dāng)然也可改變電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任意量程的比例電流輸出)。CS、CS1、CK和SD為單片機(jī)控制數(shù)字腳，與U5、U8通信以設(shè)定或動(dòng)態(tài)調(diào)整有關(guān)參數(shù)。15 V、5 V、2.5 V為輸出端模擬及基準(zhǔn)電源，GND為地，其余標(biāo)號(hào)為網(wǎng)絡(luò)連線標(biāo)識(shí)。

圖3 用線性光耦HCNR201實(shí)現(xiàn)隔離并進(jìn)一步線性化的部分實(shí)際電路圖

2 臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法

2.1 基本模型

圖4為線性光耦HCNR201的電流傳輸誤差包絡(luò)圖[6]。由圖可知，在IPD1的有效范圍(0～50 μA)內(nèi)，IPD2的誤差呈類似拋物線波動(dòng)。實(shí)際IPD1的工作電流范圍為1.8～9.0 μA，工作電流較小，功耗較低，有利于減小長(zhǎng)期使用的老化效應(yīng)并延長(zhǎng)器件壽命的同時(shí)，使誤差包絡(luò)曲線呈單一簡(jiǎn)單拋物線形狀，便于實(shí)現(xiàn)臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法。

圖4 線性光耦HCNR201的電流傳輸誤差包絡(luò)圖

圖5為未經(jīng)補(bǔ)償?shù)脑颊`差結(jié)果典型示例(對(duì)零點(diǎn)誤差和斜率誤差進(jìn)行了歸一化處理，下同)，與圖4的理論說(shuō)明一致。由圖5可知，多數(shù)HCNR201的電流傳輸誤差拋物線的開(kāi)口向下(當(dāng)IPD1電流為1.8～9.0 μA時(shí)，電流誤差已被轉(zhuǎn)換為輸出電壓誤差)，少數(shù)開(kāi)口向上。無(wú)論誤差拋物線的開(kāi)口向下或向上，頂點(diǎn)位置一般位于輸出電壓3.0 V附近，將該頂點(diǎn)電壓值定義為臨界點(diǎn)(電壓)，由圖3中的TJD控制進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。

圖5 未補(bǔ)償誤差結(jié)果

2.2 補(bǔ)償算法

當(dāng)誤差拋物線的開(kāi)口向下時(shí)(見(jiàn)圖5)，若V3>TJD，由圖3的電路結(jié)構(gòu)分析可知，VK=0，U4的第1組有效閉合，VY=V3，通過(guò)U8的A組抽頭WA將一定比例的V3與TJD的差值通過(guò)R13線性耦合到VA(以TJD為基數(shù))，實(shí)現(xiàn)線性光耦的進(jìn)一步線性化“加”補(bǔ)償；若V3

圖6 合理補(bǔ)償誤差結(jié)果

由圖6可看出，誤差拋物線變成基于臨界點(diǎn)左右大致對(duì)稱的兩條拋物線，當(dāng)補(bǔ)償合理時(shí)，兩條拋物線的頂點(diǎn)基本等高，3個(gè)最低點(diǎn)也基本等高。U8的A組抽頭WA對(duì)VY=V3的采樣比例可調(diào)整，但是耦合到VA的補(bǔ)償值始終是線性的，故稱為線性補(bǔ)償。

通過(guò)上述臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法的電路實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)輸出誤差減小，輸入、輸出傳輸特性曲線的最小二乘法線性擬合相關(guān)系數(shù)r接近于1.0(取33個(gè)點(diǎn)，r≥0.999 999 999)，非線性誤差極小，線性度小于0.003%。典型的輸入電流IL、輸出電壓Vo傳輸特性曲線如圖7所示。特性曲線可表示為Vo=k×IL+b，其中k為擬合直線的斜率，b為零點(diǎn)。

圖7 典型的輸入、輸出傳輸特性曲線

3 軟硬件結(jié)合及其性能描述

3.1 補(bǔ)償比例的動(dòng)態(tài)調(diào)整

實(shí)測(cè)表明，在不同溫度下，圖5中原始誤差拋物線的開(kāi)口程度不同，因此最佳補(bǔ)償比例也不同，這可通過(guò)單片機(jī)控制U8的A組電位器在生產(chǎn)過(guò)程中掃描整個(gè)工作溫度范圍，采取一定算法動(dòng)態(tài)采集，并將補(bǔ)償比例與溫度的關(guān)系曲線擬合后寫入最終的產(chǎn)品單片機(jī)中。在產(chǎn)品正常工作時(shí)，單片機(jī)會(huì)采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，將對(duì)應(yīng)的最佳補(bǔ)償比例回寫到U8的A組中，從而使線性度始終保持最佳值(即小于0.003%)。圖8為欠補(bǔ)償結(jié)果。圖9為過(guò)補(bǔ)償結(jié)果。

圖8 欠補(bǔ)償結(jié)果

圖9 過(guò)補(bǔ)償結(jié)果

3.2 斜率的動(dòng)態(tài)調(diào)整

由于線性光耦K3存在溫度系數(shù)，在常溫下先利用U8的B組電位器粗調(diào)k，使k接近0.25(5.0 V/20 mA)，然后利用與線性補(bǔ)償類似的電路采集V3的一定比例(很小)，將其合成到U1的第4運(yùn)放加法電路中，對(duì)工作溫度范圍內(nèi)k的變化進(jìn)行精確細(xì)調(diào)，數(shù)據(jù)采集和工作原理與補(bǔ)償比例的動(dòng)態(tài)調(diào)整相同。從而在產(chǎn)品正常工作時(shí)，在全溫度范圍內(nèi)k保持不變。

3.3 零點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整

由于線性光耦與多級(jí)運(yùn)放組成較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，使傳輸特性曲線的零點(diǎn)b≠0，且由于電子器件自身固有的溫漂，導(dǎo)致b隨溫度變化而變化，因此，利用U5的A組輸出TZB實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)的動(dòng)態(tài)采集與調(diào)整，數(shù)據(jù)采集和工作原理與補(bǔ)償比例的動(dòng)態(tài)調(diào)整相同。從而在產(chǎn)品正常工作時(shí)，在全溫度范圍內(nèi)b均小于±0.2 mV。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用常規(guī)廉價(jià)的線性光耦HCNR201，通過(guò)臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)了線性光耦的極限線性度的有效突破，最終信號(hào)隔離器產(chǎn)品的極限線性度從0.01%(批量芯片0.05%)提高到全工作溫度范圍內(nèi)(-40～+85 ℃)線性度均可小于0.003%，結(jié)合對(duì)斜率和零點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，使極限精度小于0.01%，克服了光耦隔離的固有缺陷，充分發(fā)揮了光耦隔離的自身優(yōu)勢(shì)。研究表明，臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法對(duì)于其他類型的線性光耦或非線性光耦同樣適用，均可大幅改善線性度，滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是軍事應(yīng)用的更高要求，對(duì)抗干擾、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制具有重要的應(yīng)用價(jià)值。