基于MULTISM的智慧家居雙極性信號(hào)隔離電路仿真*

王 毅，包西平，劉海斌，李 帥

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221005）

0 引言

智能家居以住宅為平臺(tái)，整合網(wǎng)絡(luò)信息傳感技術(shù)將家中的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)用戶個(gè)性化需求，其中感知層利用傳感器來采集環(huán)境與狀態(tài)信息，將其作為參變量用于智慧家居系統(tǒng)的自動(dòng)控制中，以創(chuàng)建一個(gè)便捷舒適、安全的家居環(huán)境[1]。

在智能家居的項(xiàng)目開發(fā)中，需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。由于智能家居所用傳感器的輸出信號(hào)一般為弱電信號(hào)，其容易受到溫度漂移、電源波動(dòng)等其他外界因素的干擾，進(jìn)而使被測(cè)量值產(chǎn)生誤差甚至邏輯錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，因而在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要將采樣部分與傳感器部分進(jìn)行隔離?，F(xiàn)代智能家居電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，信號(hào)隔離方法一般采用光電隔離的方法，它的優(yōu)點(diǎn)為系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、體積小、抗干擾能力強(qiáng)。其中高線性度的光耦是光電隔離中最常用的器件[2-3]。

美國Avago公司生產(chǎn)的線性光耦HCNR200是一種性能優(yōu)良的模擬信號(hào)光電耦合器件，它可以較好地實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離。線性度、帶寬與精度較高，其目前對(duì)于該器件在極性信號(hào)隔離測(cè)量電路應(yīng)用比較多。雙極性信號(hào)高線性度隔離比單極性信號(hào)高線性度隔離復(fù)雜，這方面的研究也比較少。本文基于HCNR200工作原理特性，設(shè)計(jì)出一種雙極性信號(hào)的隔離電路，并基于MULTISM17.0仿真軟件搭建模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 HCNR200簡(jiǎn)介

HCNR200光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)包括發(fā)光二極管LED，PD1、PD2為光敏二極管，流過發(fā)光二極管的電流為IF時(shí)，光敏二極管PD1、PD2中會(huì)感應(yīng)出正比于 IF的光電流 IPD1、IPD2，IF、IPD1、IPD2滿足如下關(guān)系[4]：

式中：K1、K2分別為光敏二極管PD1、PD2的光電耦合器的電流傳輸比；K3為光電耦合器的電流傳輸增益，典型值為1。

PD1、PD2可以互換，由于芯片引腳分布的原因，一般將PD1作為輸入端、PD2作為輸出端。

圖1 HCNR內(nèi)部電路

2 基于HCNR200的雙極性輸入隔離電路原理分析

對(duì)于雙極性信號(hào)的輸入電路，HCNR200的使用手冊(cè)給出了一種方案，此種方案使用了兩片HCNR200，一片用于處理正的電壓信號(hào)，另一片用于處理負(fù)的電壓信號(hào)[5-6]。它的系統(tǒng)方案如圖2所示。從圖中可以看出這種方案使用了2片運(yùn)放，這2片運(yùn)放用在輸入與輸出的兩側(cè)，由于現(xiàn)在一般的集成運(yùn)放內(nèi)部都有2組或4組的運(yùn)放，此種方案沒有使用到集成運(yùn)放中的其他組運(yùn)放，這樣就會(huì)造成硬件系統(tǒng)某種程度上的浪費(fèi)，從而提高了系統(tǒng)在硬件上的成本。

圖2 雙極性電壓輸入隔離放大器方案1

針對(duì)上述問題，本文提出了一種方案，可以有效解決上述問題。電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 雙極性電壓輸入的隔離放大器電路結(jié)構(gòu)圖

這個(gè)方案在輸入輸出側(cè)各使用到了2片運(yùn)放，因此可以提高系統(tǒng)硬件的利用率。完整的電路如圖4所示。

下面說明方案2的工作原理。U1:B輸出電壓為：

式中：R4=R5=R6=R7=10 kΩ，所以可以得出VinB可轉(zhuǎn)化為：

通過加法器電路將輸入電壓信號(hào)抬升了5 V，雙極性電壓信號(hào)變成了單極性電壓信號(hào)。如果被測(cè)電壓信號(hào)的范圍為-5～+5 V，這樣加法器電路的輸出就變?yōu)榱?～+10 V。

光電隔離電路的計(jì)算（其中二極管電流IF=10 mA，IPD1、IPD2的電流范圍是5 nA～50 μA，K=1）：

圖4 雙極性電壓輸入隔離放大器電路方案2

R1=R3=200 kΩ，則運(yùn)放U3:A的輸出電壓為：

其中R8=R9=R10=R11=10 kΩ，所以得出VinB可轉(zhuǎn)化為：

從而完成了輸入電壓信號(hào)與輸出電壓信號(hào)的隔離與電壓信號(hào)的還原。

3 隔離電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)算放大器的選擇

HCNR200為電流型驅(qū)動(dòng)的器件[7]，流過發(fā)光二極管的工作電流范圍為1～40 mA，同時(shí)輸入電壓與輸出電壓均為雙極性信號(hào)，因此本次設(shè)計(jì)中采用雙電源供電的LM358運(yùn)算放大器，其輸出電流最高可達(dá)40 mA，運(yùn)算放大器帶寬為1 MHz，可以滿足本次設(shè)計(jì)的需求。

圖5 雙極性電壓輸入隔離放大器仿真電路

3.2 R1 、R2、R3、C1的選擇

本文中HCNR200的LED的工作電流范圍選擇10～25 mA[8]，輸入交流正弦波電壓的幅值范圍為0～5 V。則電阻R2的范圍為：

選擇電阻R2的值為1 kΩ。

對(duì)于電阻R1，取R1=0.005 R2，則R1=200 kΩ。對(duì)于電阻R3，取R3=200 kΩ。對(duì)于C1，其作用為濾除電路中的毛刺信號(hào)，取10 pF[7]。

4 仿真分析與驗(yàn)證

4.1 仿真軟件與仿真環(huán)境設(shè)定

Multisim是美國NI公司開發(fā)的業(yè)界一流的SPICE仿真標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，最新版的Multisim17.0進(jìn)一步增強(qiáng)了模擬數(shù)字及混合仿真技術(shù)，可幫助設(shè)計(jì)研究人員分析模擬、數(shù)字和電力電子系統(tǒng)各種電路，從而提高了設(shè)計(jì)開發(fā)人員的工作效率。

在Multisim17.0中建立圖5所示電路，電路參數(shù)如下：

（1）輸入電壓信號(hào)為正弦波，偏置電壓設(shè)置為0 V，頻率設(shè)置為50 Hz；

（2）運(yùn)放為LM358，供電電壓為雙電源供電，正負(fù)電源分別為-12 V，+12 V；

（3）R2=1 kΩ，R1=R3=200 kΩ，C1=10 pF；

（4）輸入與輸出參考地分別選擇GROUND與DGND。

4.2 仿真結(jié)果分析

輸入電壓幅值分別設(shè)置1 V、2.5 V、5 V，輸入波形和輸出波形如圖6～8所示。

圖6 輸入5 V（最大值）與輸出波形

圖7 輸入2.5 V（最大值）與輸出波形

圖8 輸入1 V（最大值）與輸出波形

對(duì)于范圍為-5～+5 V的正弦波輸入電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量[9]，選擇其中16組輸入電壓數(shù)據(jù)與輸出電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算出誤差，如表1所示。

表1 輸入電壓與輸出電壓數(shù)據(jù)

根據(jù)表中所示的測(cè)試數(shù)據(jù)，利用MATLAB2017B軟件進(jìn)行輸入電壓與輸出電壓信號(hào)特性分析，繪制了電路的輸入電壓信號(hào)與輸出電壓信號(hào)特性曲線，如圖9所示。由圖可以看出，輸入電壓信號(hào)值與輸出電壓信號(hào)值之間的擬合度較高，二者誤差較小，所以本文所設(shè)計(jì)的光電隔離放大器電路具有較高的精度與線性度。

圖9 輸入與輸出電壓

5 結(jié)束語

本文基于HCNR200光電耦合器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙線性被測(cè)模擬信號(hào)的線性隔離，給出了雙極性輸入隔離電路關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)，在MULTISM17.0仿真軟件中搭建了模型并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路精度與線性度高，適合用于雙極性模擬信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)。為進(jìn)一步的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的理論基礎(chǔ)。