應(yīng)用光電耦合器設(shè)計(jì)線性隔離放大器

1、學(xué) 號(hào)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)用光電耦合器設(shè)計(jì)線性隔離放大器起止日期： 年 月 日 至 年 月 日學(xué)班成生姓名 級(jí) 績(jī) XX XX指導(dǎo)教師(簽字)電子與信息工程系年 月 日目錄緒論.11.設(shè)計(jì)任務(wù).22.總體設(shè)計(jì)概要 .32.1 總體概述 .32.2光電耦合器設(shè)計(jì)線性隔離放大器的生成方案.32.2.1 光電耦合器的生成方案 .32.2.2 差分放大電路的工作方案 .32.2.3 電路的調(diào)試步驟 .42.2.4 調(diào)試中應(yīng)注意的問(wèn)題.43.整體電路及結(jié)果.54.設(shè)計(jì)總結(jié).6 參考文獻(xiàn) 7緒論 本文所討論的線性光耦隔離電路是借助于一般光電耦合器的特性，用偏置法和差分技術(shù)設(shè)計(jì)而成，是用來(lái)隔

2、離計(jì)算機(jī)所輸出電壓源的數(shù)字信號(hào)與負(fù)載模擬信號(hào)之間的干擾。光耦隔離放大電路可用于多種模擬信號(hào)的隔離，尤其是隔離數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在體積小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜、輸入與輸出之間絕緣、單向傳輸信號(hào)，且工作頻率可以高達(dá)上百千赫，可以用于頻率要求較寬的電路設(shè)計(jì)。它除了具有通常光電耦合器所特有的性能外，還具有輸出線性度好、光漂移影響小等特點(diǎn)，因此可以用來(lái)消除測(cè)控系統(tǒng)的外部干擾，抑制計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾等。光耦隔離放大電路由于其簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)及良好的輸出特性，在數(shù)字電路上得到廣泛的應(yīng)用，尤其是對(duì)于小成本投入、高精度電路的設(shè)計(jì)，有很大的優(yōu)勢(shì)。光電耦合器是通過(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合的，輸入

3、和輸出之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系,故具有很強(qiáng)的隔離作用，在實(shí)際應(yīng)用中很廣泛，光電耦合器件具有非線性電流傳輸特性，這對(duì)于數(shù)字量和開(kāi)關(guān)量的傳輸不成問(wèn)題，但若直接用于模擬量的傳輸，則線性度和精度都很差，本電路采用的是LTP521-2光電耦合器，其參數(shù)為通道數(shù):2、隔離電壓:2500V 、輸出類型:晶體管輸入電流:50mA、輸出電壓:55V、封裝類型:DIP、針腳數(shù):8、光電耦合器類型:晶體管輸出、封裝類型:DIP-8、工作溫度范圍:-55°C to +100°C、批準(zhǔn)機(jī)構(gòu):UL、正向電壓 Vf 最大:1.3V、電壓 Vceo:55V、電流If 平均:5mA、輸出電壓 最大:55V、電

4、流傳遞率(CTR)最小值:20、電流傳遞率(CTR)典型值:20%。本電路中差分放大電路采用多運(yùn)放、可增益、可調(diào)零電路。11.設(shè)計(jì)任務(wù)應(yīng)用光電耦合器設(shè)計(jì)線性隔離放大器，其主要功能要求如下：（1）工作電壓：雙路+15V（2）系統(tǒng)帶寬：10KHz（3）線性度：1%（4）最大輸出電壓：Vpp=5V（5）系統(tǒng)增益：0dB22.總體設(shè)計(jì)概要2.1 總體概述 光電耦合器有其特有的工作線性區(qū)，偏置輸入是用來(lái)調(diào)節(jié)光電耦合器的輸入電流，使其工作在線性區(qū)。而光電耦合器和偏置輸入通過(guò)差分放大電路來(lái)耦合光電耦合器的漂移和非線性。差分放大電路還用來(lái)得到放大的模擬信號(hào)。2.2 光電耦合器設(shè)計(jì)線性隔離放大器的生成方案光耦隔

5、離放大電路采用TLP521-2光電耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。TLP521-2光電耦合器是集成了光電耦合器，LF356主要用于信號(hào)輸入前的信號(hào)處理，一方面保證光電耦合器工作在線性區(qū)，另一方面，對(duì)輸入信號(hào)作簡(jiǎn)單的放大。LF347則組成差分放大電路。所以光耦隔離放大電路的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1 光耦隔離放大電路的結(jié)構(gòu)圖2.2.1 光電耦合器的生成方案 TLP521-2光電耦合器是由兩個(gè)單獨(dú)的光電耦合器組成。一般來(lái)講，光電耦合器由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏器件構(gòu)成。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L與電流成正比，當(dāng)電流增大到引起結(jié)溫升高時(shí)，發(fā)光二極管呈飽和狀態(tài)，不再在線性工作區(qū)。光

6、電二極管的光電流與光照度的關(guān)系可用ILEu表述。其中，E為光照度，u=1±0.05，因此，光電流基本上隨照度而線性增大。但一般硅光電二極管的光電流是幾十微安，對(duì)于光敏三極管，由于其放大系數(shù)與集電極電流大小有關(guān)，小電流時(shí)，放大系數(shù)小，所以光敏三極管在低照度時(shí)靈敏度低，而在照度高時(shí)，光電流又呈飽和趨勢(shì)。達(dá)不到線性效果。 因?yàn)椴煌墓怆婑詈掀饔胁煌墓ぷ骶€性區(qū)，所以，在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該首先找到光電耦合器的線性區(qū)。光電耦合器TLP521-2的電流線性區(qū)大約為110mA。光電耦合器的偏置輸入電路可以決定輸入它的電流的范圍，偏置電路設(shè)計(jì)的好，可以使得輸入電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，光電耦合器依然工作

7、在線性區(qū)。2.2.2 差分放大電路的工作方案本電路中差分放大電路采用多運(yùn)放、可增益、可調(diào)零電路。圖2中，兩個(gè)光電耦合器的輸出分別通過(guò)放大器(2)和(3)輸入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到輸出。放大器(5)主要是用來(lái)調(diào)零。其中，光電耦合器(2)的偏置輸入電路通過(guò)放大電路來(lái)補(bǔ)償光電耦合器(1)的漂移以及非線性部分。一旦補(bǔ)償奏效，電路的輸出就只與光電耦合器(1)的輸入有關(guān)。3圖2 線性光耦隔離電路的接線原理圖2.2.3 電路的調(diào)試步驟 1、調(diào)節(jié)放大器(1)的反相端，使輸入電壓為零(即接地)。2、為保證光電耦合器(1)工作在線性區(qū)，調(diào)節(jié)放大器(1)同相端的輸入電壓，使輸出電壓達(dá)到一個(gè)線性

8、度較好的工作區(qū)。3、調(diào)節(jié)光電耦合器(2)，使得兩個(gè)耦合器的輸入電流完全相同(因?yàn)槠潆娏鞴ぷ魈豯生)，從而使得輸出電流也近似相同(因?yàn)殡娮釉骷旧淼恼`差，不可能完全相同)。4、調(diào)節(jié)放大器(2)和(3)的正相輸入電壓，使兩者相等。這樣，在放大器(4)的輸出端可以得到一個(gè)接近零的輸出(也不能完全為零)。R12為放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻。5、調(diào)節(jié)R17使得放大器(5)輸出端電壓為零，即PR17為調(diào)零電阻。 6、根據(jù)所給輸入電壓Vin調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，得到所需電壓Vout。2.2.4 調(diào)試中應(yīng)注意的問(wèn)題1、電路中所有+Vcc均為+12V，-Vcc均為-12V，GND為地，但光電耦合器左右兩邊用兩套電源，以避免信號(hào)

9、干擾。2、對(duì)單個(gè)放大器而言，在調(diào)試時(shí)，盡量讓輸出電壓在12V以下。3、光電耦合器的輸入電流應(yīng)在210mA為宜(這是光電耦合器的線性區(qū)，電流太大或太小都會(huì)偏離線性區(qū))，本實(shí)驗(yàn)采用6.17mA(0V輸入時(shí))。且當(dāng)輸入電壓Vin從05V改變時(shí)，光電耦合器(1)的輸入電流應(yīng)盡量在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，這樣可以盡可能保證輸入電流在光電耦合器的線性區(qū)內(nèi)變化。4、電壓放大過(guò)程實(shí)際由兩部分組成，第一部分為放大器(1)，第二部分為后四個(gè)放大器組成的集成運(yùn)放塊。43.整體電路及結(jié)果加入頻率電壓源，得出波形圖，如圖3。圖3 由光電耦合器設(shè)計(jì)的線性隔離放大器同過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R7的阻值來(lái)改變通過(guò)R7兩端的電流，使通過(guò)

10、R7的電流值與通過(guò)R6的電阻值相等，且落在光耦的電流線性工作區(qū)內(nèi)，從而使得兩個(gè)耦合器的輸入電流完全相同。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R9的阻值來(lái)改變R9兩端的電壓，使得加在電阻R9兩端的電壓等于加在電阻R8兩端的電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R17的值，使輸出端電壓Vout=0。將給定輸入電壓與放大器(1)的反相端相連，通過(guò)調(diào)節(jié)R12對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行差分放大，得到所需電壓Vou。54.設(shè)計(jì)總結(jié)這次課設(shè)抽到了一個(gè)比較陌生的題目，用光電耦合設(shè)計(jì)出來(lái)線性隔離放大器。通過(guò)查資料等多種途徑認(rèn)識(shí)了光電耦合器。當(dāng)初的設(shè)計(jì)思路是采用新型電路即用TPL521采用輸入部分和輸出部分隔離通過(guò)光電耦合器產(chǎn)生光電流進(jìn)入放大電路，最終得到

11、理想的結(jié)果。但是用軟件模擬仿真的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)，仿真軟件中只有MCT8，所以不得不采取最基本的電路來(lái)設(shè)計(jì)光耦合線性隔離放大器。最終將電路設(shè)計(jì)出來(lái)。雖然中間遇到了很多的困難，但是還是完成了任務(wù)。由于剛開(kāi)始對(duì)電路的工作原理很陌生，所以一直沒(méi)有明白這個(gè)電路要實(shí)現(xiàn)的是什么功能，等真正做完以后才知道，本電路采用光電耦合技術(shù)，采用差動(dòng)放大原理、深負(fù)反饋技術(shù)和可控恒流電路設(shè)計(jì)。當(dāng)給定的輸入電壓為05V,輸出電壓能達(dá)到012V。本次課程設(shè)計(jì)，我負(fù)責(zé)原始電路的部分設(shè)計(jì)及multlab仿真，雖然中間遇到了了很多問(wèn)題，導(dǎo)致不能出現(xiàn)理想的結(jié)果，但最終早組員和同學(xué)的幫助下一一解決了。通過(guò)這次的實(shí)驗(yàn)，我了解了光電耦合器的工作

12、原理及接線，以及兩種放大器LF356和LF347的工作原理，更加深了對(duì)書(shū)本上所學(xué)的知識(shí)，并將其應(yīng)用到實(shí)際操作中。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，加深了對(duì)放大電路的理解，對(duì)其工作原理也得到深化，對(duì)放大電路引出的一系列的參數(shù)如反饋系數(shù)，反饋方式，放大系數(shù)等的計(jì)算都有了明顯的加強(qiáng)。同時(shí)，也接觸了老師上課沒(méi)有觸及到的地方及深度，了解了光電耦合器的工作原理和其一些基本的工作原理及參數(shù)。也認(rèn)識(shí)到了模擬電子技術(shù)在工業(yè)及生活上的應(yīng)用。日常生活中接觸的好多電子設(shè)備都用到了模擬電子技術(shù)。本次課設(shè)從開(kāi)始著手準(zhǔn)備找資料和設(shè)計(jì)電路圖思路，讓我真正的意識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作的力量，再大的工程量也要分批次進(jìn)行。團(tuán)結(jié)合作，勵(lì)精圖治，精益求精，踏實(shí)

13、進(jìn)取才是成功的關(guān)鍵。另外實(shí)踐能力和動(dòng)手能力是檢驗(yàn)理論的最好的工具，學(xué)有所用，將書(shū)本上的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐環(huán)節(jié)，雖然期間會(huì)有很多的坎坷，甚至?xí)?jīng)過(guò)很多次失敗，但是過(guò)程就已經(jīng)鍛煉了我們的方方面面。所以，無(wú)論結(jié)果是什么樣，這都是一次難忘的課程設(shè)計(jì)。在做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且同時(shí)學(xué)習(xí)到很多以前不懂的東西。比如一些原件的功能，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多課內(nèi)