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摘要：本文基于线性光耦HCNR200+XTR115组合设计出隔离低耗两线4～20MA电流环数据传输电路。线性光耦器HCNR200的功能实现模拟量与数字量的电气隔离，提高了变送器的抗干扰能力和稳定性。XTR115是精密电流输出变送器，可用在工业标准电流环路4～20mA模拟信号电路中。先仿真测试了HCNR200的线性关系并进行了误差分析。试验结果表明，HCNR200的传递性能具有较高的准确性；光电耦合实现了电气隔离；线性误差在千分之一以内。再原理设计、样机制作和测试。试验数据分析，得出XTR115的电流环电路数据传输准确、线性度高的特点。此硬件电路能用于实际的生产应用；在工业测量在模拟信号隔离场合中具有广阔的应用前景。

关键词：线性光电耦合器；电流环；变送器；工业测量

1引言

工业测量中，往往是一些高电压、强电流的物理量需要进行测量与控制。如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，各种电磁干扰信号就会与被测信号一起进入测量系统。干扰信号的叠加，一方面引起测量误差降低了测量的准确度；另一方面电磁脉冲将会对内部电路系统带来严重的破坏：外部电路的高电压、强电流串入低压器件，甚至会将把内部电路器件烧毁。因此为了保证测量数据的正确性和精度要求，提高测量系统的稳定性和安全性，模拟输入信号与数字量之间的电气隔离非常重要。

两种较常用的隔离器件：霍尔传感器和光电耦合器。霍尔传感器是一种磁电传感器，是将变化磁场转化为输出电压变化的一个能量转换器，主要应用于交流信号的隔离；一般的光电耦合器利用光电转换，使用光信号进行电信号的传输，抗干扰能力强，但是由于伏安特性，非线性失真非常严重，一般应用于数字信号的隔离中。对于直流模拟型号的隔离，一直是电气隔离中的一个难点。本文选择线性光电耦器技术。线性光电耦合器是输出信号和输入信号成线性关系的光电耦合器。

安华高公司生产的HNCR200就是一款用于模拟信号隔离的高精度线性光耦，隔离电压峰值高达8000伏；输出跟随输入变化，线性度度高达0.01%。其内部结构由一个高性能发光二极管（LED）和两个结构相同工艺相同的光电二极管组成。发光二极管具有稳定的光输出，可用来监控。两个光电二极管可以同时接受发光二极管输出的信号。其中一个电光二极管（PD1）在隔离电路的输入部分，另一个光电二极管（PD2）构成隔离电路的输出部分。由于光耦的封装，使每个光电二极管可以从LED上接受大致相同数量的光线。其先进的封装形式，保证了光耦的高线性度和稳定的增益特性。

通常测量现场与控制室直接的距离比较远。如果用电压源信息远传，当连接电线的电阻较大时由于电线电阻与接受仪表输入电阻的分压，降产生较大的误差。所以远距离的输出，为了减少传输误差，通常是选择电流信号传输。采用电流信号传输的原因是不容易受干扰。因为工业现场的噪声电压的幅值比较高，但是噪声的功率很弱。所以噪声电流通常小于NA级别，因此给4～20MA的传输带来的误差非常小，电流源内阻趋于无穷大，导线电阻再回路中不影响精度。在普通双绞线上可以传输数百米，回路中的电流就不会随电线的长短而改变。从而保证了传送的精度。国际电工委员会（IEC）制定了过程控制系统的模拟信号传输标准：4-20mA.DC信号制。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国际标准信号制。

仪表的零点是4mA，提高了变送器的容错能力。正常工作时，仪表的电气零点选择选择4ma，，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断点合断线等故障。最大电流为20MA，是基于安全、实用，成本的考虑而设计。20mA的电流通断引起的火花能量不足仪引燃瓦斯。

TI（德州仪器）生产的XTR115能够满足工业级测量标准的两线制4～20mA电流环电路的设计。XTR115是精密电流输出变送器，可将传感器产生的40～200uA的弱电流信号放大100倍，获得4～20MA的标准输出。其内部有2.5V基准电压，提供偏置或激励，通过一个电阻就很容易产生4mA的“活零点”。该电路设计巧妙，使用方便。非常适合于变送器等工业测量的应用之中。

通过NI MULTISIM14.3的仿真软先仿真测试了HCNR200的传输线性线度非常高，线性误差在千分之一以内。验证了其直流模拟信号隔离的可行性。基于线性光耦HCNR200+XTR115组合设计出的电路、再样机制作完成。实验数据得出：此线性光耦合隔离的电流环电路原理设计成功。解决了工业测量中直流信号隔离的难题。变送器4～20MA电流传输，即提高了变送器的容错能力；又增加了信号的传输精度和系统的稳定性；而且成本低、安全可靠、提高了经济效益。可以很好得满足不同用户得需求；具有很好的推广价值。

2 线性光电耦合器的结构及工作原理

HNCR200的内部结构如图1。

工作原理：放大器与PD1组成的外部反馈电路可以用来监控发光二极管LED发出的光，并且可以补充流过LED的电流起到对LED的调节作用，使得LED输出的光信号更加稳定，当PD2接收到光信号后，可以再通过另一个运算放大器把接收到的电流信号转化为电压信号。通过外围的电路形成负反馈控制LED发光强度，使得输入与输出呈线性关系。

2.XTR115的特点及工作原理

XTR115的特点

1.XTR115属于二线制电流型变送器，可将传感器产生的40～200uA的弱电流信号放大100倍，获得4～20MA的标准输出。内部有2.5V基准电压，通过一个电阻就容易产生4mA的“活零点”。

2.环路电源电压的工作电压范围宽到7.5～36V。

3.专门设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，简化了外部电路。

4.精度高，非线性误差小。

XTR115的工作原理

XTR115的输入电流的变化范围是0～16mA。对应的是0～160uA，可以根据这一电流和输入信号的电压幅值决定输入电阻R的大小。要实现4～20mA电流环，还必须加入4mA的偏置电流，XTR115内部有2.5V基准电压，可以在运算放大器的同相输入端通过一个6.25K的电阻接到参考电压上即可。

3 模拟仿真的测试

为了测试HCNR200光电耦合器的线性度，进行软件开发和仿真。本系统在NI MULTISIM14.3的仿真软件中，绘制了如下电路（图3）。V2为高压输入端，输入电压变化范围为0～80V，U5为线性光耦输入采样电压。U3为线性光耦的输出电压。改变V2的值，得出表1的测量数据。数据分析：误差在千分之一以内，HCNR200的线性度非常高，满足设计要求。

4 硬件电路图的设计

根据仿真测试结果，选用线性光电耦合器HCNR200设计电压电流隔离电路。其运放选用TLC272，因其可用单电源供电，使其电路结构更简单。XTR115属于二线制电流型变送器，可将传感器产生的40～200uA的弱电流信号放大100倍，获得4～20MA的标准输出。内部有2.5V基准电压，通过一个电阻就能产生4mA的“活零点”。专门设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，简化了外部电路。设计原理图（图4）。

5 样机测试与分析

为了验证电路的可行性和实用性。进行了样机的研制和测试。测试工具有：继电保护测试仪输出直流0～80V（0V对应变送器的4mA输出，80V对应变送器的20mA输出）的电压接入变送器的输入端，多功能万用表测试变送器的输出电流。得出表2的测量数据。数据分析：误差在0.5%以内，满足设计百分之一的要求满足设计要求。

6 结语

线性光耦合器HCNR200隔离电压高，线性度好，电路简单，有效的解决了直流模拟信号的电气隔离问题。XTR115精密电流输出变送器，解决了远距传输的困扰。XTR115的内部2.5V的基准电压通过一个电阻轻松实现了了“活零点”。本文基于HCNR200+XTR115组合的线性光耦合隔离的电流环电路原理设计的变送器具有低成本，高精度、高稳定性等优点能应用于各种工况的工业测量系统中。

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作者简介：刘玉清（1975.11-）女，汉，本科，湖南长沙，配电网自动化。