带模拟光耦隔离的信号放大电路的设计

于 镭，田家彩，陈振喜

(青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042)

在现实工程项目中，通常需要对某一非电物理量进行检测。对这种非电物理量的检测一般是通过传感器或其他途径采集获得，但是所得到的信号很小，不能直接进行滤波、运算等处理，必须对这个微弱信号进行放大。而本设计检测电路就是放大处理电路，实际上就是对来源于传感器的微弱信号的放大处理。这要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力，还要求增益高，性能稳定，尤其是零点漂移、温度漂移、增益、稳定性等指标要求较高，也就是要能对信号实现精密放大处理，满足计量要求[1]。

1 电路的设计与分析

本电路主要分为3部分：输入电路、模拟隔离电路和输出电路，其结构图如图1所示。

图1 电路结构图

本文设计的仪用放大器电路主要是针对传感器的微弱信号的检测放大，其电路图如图2所示，电路分为3级，分别介绍如下。

1.1 输入电路

输入电路为第1级，使用4个LM324集成运放构成仪用放大电路作为输入电路，该输入电路具有放大倍数及放大精度高、共模抑制比高、稳定性好、应用广泛的特点，经常应用于精密仪器电路和测控电路中，而且还避免了使用专用仪用放大器价格高的缺点[2]。该输入电路的输出电路是个加法器，电路中滑动变阻器通过电压跟随器加到电路上，可以通过调节变阻器来调节输入信号为零时，使得输入电路的输出为零。通过调节 R3、R4、R53个电阻的关系设计输入级的放大倍数，其公式为：

其中，R1=R2，R4=R5，R6=R7，R9=R10，R12=R13，R14=R15，R16=R17，URP为滑动变阻器经电压跟随器输出的电压。

1.2 隔离电路

隔离电路为第2级，实现外部电路与内部核心电路的有效隔离，避免外部干扰对内部控制芯片的影响[3]。主要包括模拟隔离放大器HCPL-7840和保护电路，68 Ω的电阻用于HCPL-7840输入限流。由于前一级仪用放大器的放大倍数比较高，为了防止输出高电压对HCPL-7840模拟隔离放大器的损坏，在HCPL-7840输入端接上了2个并联的二极管用于限制HCPL-7840的输入电压，同时输入端连接了0.01 μF的电容，用于滤波[4]。此外，HCPL-7840不仅是隔离电路，还具有很好的信号放大功能，放大倍数为8倍。

1.3 输出电路

通过以上对电路分析可知：对整个电路的放大倍数的设计除了模拟隔离放大器固有的8倍的放大倍数外，还可以通过输入电路和输出电路两部分中的放大部分进行调节，得到需要的放大倍数。需要注意的是：模拟隔离放大器HCPL-7840的输入有要求，线性区电压应在-200 mV～+200 mV之内。

本电路使用双电源设计，其好处主要有两点：(1)很多传感器都是电桥形式的传感器(如压力传感器)，通过打破电桥的平衡得到输出与压力成正比的电信号。可以使用双电源给传感器供电，使得电桥的共模电压在0 V左右；(2)HCPL-7840的最高供电电压为 5.5 V，而传感器的供电电压相对比较高，在 10 V～15 V，所以使用双电源(+5 V和-5 V)可以使得两者兼容。

同时本电路中注重电磁兼容性的设计，为每个集成芯片 LM324、HCPL-7840都设计了 0.1 μF的去耦电容。去耦电容主要连接在电源和地之间，它有三个方面的作用：(1)作为本集成电路的蓄能电容；(2)滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；(3)旁路掉该器件的高频噪声，防止电源携带的噪声对电路造成干扰[5]。

2 电路的实验数据分析

表1 试验数据(单位:mV)

为了检测设计电路的性能，根据图2中元器件参数配置进行了实验。这种元器件配置各级放大倍数设计为：第1级为14.33倍；第 2级，也即模拟隔离放大器固有的8倍放大倍数[6]；第3级为1.5倍，总的放大倍数为172倍。整个电路的输入，使用张力传感器(压力传感器的一种，主要用在织布机上，用于对纱线张力的检测，该传感器电路为电桥形式的电路)的输出作为输入，通过挂已知质量的砝码拉伸张力传感器，使张力传感器输出电压值。同时在电路中设置3个测试点，以检测各部分电路的放大处理性能。3个测试点分别是：(1)Test1，模拟隔离放大器的输入；(2)Test2，模拟隔离放大器的输出；(3)Test3，电压跟随器的输出作为最终输出。通过实验测得的实验数据如表1所示。

使用MATLAB仿真软件分析实验数据，得出的各个测试点对输入电压的关系曲线如图3所示。使用MATLAB中的线性拟合指令，计算出各测试点对输入的函数关系，函数曲线为线性曲线，分别为：仪用放大器级输出曲线：y=14.56x+1.611，模拟光耦输出级曲线：y=115.3x+15.57，最终输出级曲线：y=174.3x+12.34。

从图中可以看出，各级的电压均为线性输出，第1测试点放大倍数为14.56倍，第2测试点放大倍数为115.3倍，第3测试点放大倍数为174.3倍，基本符合理论设计。第1测试点到第2测试点的放大倍数为7.92倍，基本为8倍，验证了模拟隔离放大器8倍的放大倍数。

本电路是从使用角度出发而设计的，目前已经应用于作者参与的喷气织机电控系统的设计项目中，用来对喷气织机上张力传感器检测的信号进行隔离放大。经过长期的实验和观察，该电路对张力传感器检测信号的放大和隔离起到了很好的作用。

[1]王淑红.测控电路与器件[M].北京：清华大学出版社，2006:4-5.

[2]肖景和.集成运算放大器应用精粹[M].北京：人民邮电出版社，2006:21-25.

[3]张辉，陈粤国.Motorola单片机应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，1999(4):11-28.

[4]赵庆明.性光电隔离放大电路的设计[J].电测与仪表，1999(12):26-27.

[5]孙成正，尹文庆，赵建平，等.植物电信号前置放大电路的设计与仿真[J].电子测量技术，2007(7).

[6]MEINEL W，SMITH C.Hernetic analog isolation ampprol of 1987 Int，Symp[C].On Microelectronics Minneapolis Mir.USA.28-30 Sept，1987.