采用精密线性光耦TIL300实现模拟量的隔离

国防科技大学 李彦朋 刘阳 廖湘平 湖南省微波通信局 苗成
摘要：监控系统前端模拟量的隔离和调理对于正确地完成监控功能很重要。本文介绍了一种采用精密线性光耦TIL300实现的模拟量的隔离电路，并根据作者的实际使用，对结果进行了总结。
关键词：模拟量； 隔离； TIL300
在计算机网络监控及自动化系统中，系统前端被测试量的调理、隔离电路对整个系统的正常工作具有很重要的作用。Texas Instruments公司的精密线性光耦TIL300[4]是隔离器件的新产品。我们采用该器件和Burr－Brown公司的高隔离DC－DC芯片DCP0105[5] 完成了模拟量的隔离电路。在湖南省微波网监控系统中，使用该隔离电路来完成模拟量的精密隔离传输，效果很好。
1. 本隔离电路设计的出发点
　　隔离电路的设计主要出于两种考虑：第一，保护被测电路和测试电路，使其不至于因测试电路或被测电路的故障而影响整个系统的工作。第二，减小环境噪声对测试电路的影响。在监控系统中，受控设备的工作环境一般比较差，比如微波站和电视转播站大多建在高山上，测试点很容易受到强的雷击影响，电磁干扰的影响也比较大。为保护后级设备、保证测量结果的有效性，测试电路与被测电路必须做到严格的电气隔离，隔离电路应具有较高的精度。电路的成本和体积也要符合工程需要。
2. TIL300简介

　　TIL300是一个由红外光LED照射分叉配置的隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。该器件采用特殊制造技术来补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量成线性比例。TIL300的结构及一般的外围配置电路如图1所示。
　　TIL300具有3500V的峰值隔离度和高的传输增益稳定性 (0.05％/℃) 。值得注意的是，TIL300的实际引脚功能配置与资料中所述情况有所不同 本文所示为实际的引脚功能配置。

3. 隔离电路的电路图
　　实际测试所采用的电路如图2。隔离电路中，R1调节初级运放输入偏置电流的大小，C3起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免TIL300的红外光LED受到意外的冲击，但是随着频率的提高，其阻抗将变小，TIL300的初级电流增大，增益随之变大，因而C3的引入对通道在高频时的通道增益有一定影响，虽然减小C3的值可以拓展带宽，但是这样会影响初级运放的增益，同时，初级运放输出的较大毛刺信号不易被滤除，在本系统中被测信号频率远低于300kHz 取C3为4.7μF 其容抗不小于0.012，这时，设计带宽B≈1/R3 MHz。通道增益G≈(R2/R1)IP2/IP1(IP2、IP1的含义与图1中相同)R3可以控制LED的发光强度，从而对控制通道增益起了一定作用。R2用于调节输出运放负反馈的深度。
　　由此可见，在C3已确定时，调整R1、R2、R3的值，可以在一定带宽下调整通道增益。对于被测量较小的系统，R1、R2应取得稍小些，这样在保证小信号测试精度的同时，可使通道增益基本不变，我们可以调整R4以实现一定范围内的增益调整。反之，R1、R2应取得稍大些，以保证通道的动态范围。R3根据LED的导通电流适当选取。测试中R1=R2=250kΩ R3=470kΩ R4=1MΩ。
　　用DCP0105将电路两侧的电源隔离开来，其峰值隔离度为3535V，可以满足系统的要求，电路中C1、C2是为改善DCP0105的输出波形而引入的。由此可见，隔离电路以TIL300、DCP0105形成了分界线，左侧与被测模拟量连接，右侧与后级A/D变换连接。采样信号经过运放的放大分两路后送至TIL300，隔离放大后送入次级运放。
4. 结论及经验
　　本电路适用于频率低于220 kHz、输入电压峰峰值小于2.5V时的模拟量隔离，电压的峰值隔离度为3500V。另外，本电路具有如下几种特性可供参考。
　　(1)本隔离电路在f<220kHz、输入电压峰峰值小于2.5V时线性度较为理想。
　　(2)本隔离电路传输增益近似为0.42，调整元件参数可以改变传输增益。
　　(3)本隔离电路传输增益在输入电压峰峰值为0.4V左右略有波动，这主要是电路中R3、C3组成的RC回路的充放电特性与LED的导通特性的综合作用所致。
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