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线性光耦在模拟量隔离板中的应用
王利华，卞绍顺
中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州（221008）
摘 要：本文中，我们利用高精度线性光耦 HCNR200设计了一块模拟量隔离板电路，它可
以将工业上常用的传感器 4~20mA 电流信号转换成 1~5V 电压信号，提供给 PLC 的模拟量
输入模块。该电路具有良好的线性度和高准确度；并且电路结构简单实用，实验效果好。
关键词：线性光耦；HCNR200；隔离；电流电压转换
1.引言
在自动化工程中，有时需要将现场传感器送来的 4~20mA 电流信号送入可编程逻辑控制
器（PLC）中，以便对模拟量进行监测、控制。并且，为了避免 PLC 内、外部电路接地电
位不等而引起的误差，以及保护 PLC 内部电路不受外部电路故障的影响，进一步提高系统
可靠性，还需要使用线性光电耦合器进行信号隔离。正是基于这样的需要，本文设计了一块
模拟量隔离板电路，将 4~20mA 电流信号，经过线性光电耦合器 HCNR200 隔离，最终输出
1~5V 电压信号，其应用见图 1。
图 1 模拟量隔离板的应用
简介
HCNR200 工作原理
HCNR200 是一种用于模拟量信号隔离的高精度线性光耦，它具有高线性度、高稳定性、
频带宽和设计灵活等优点，通过不同的外接电路，可实现多种光电隔离转换。它的内部示意
图见图 2。
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图 2 HCNR200 的内部示意图
图 3 HCNR200 的引脚图
HCNR200 的内部有一个高性能的 LED，且有两个由同种工艺制成的、特性严格匹配的
光电二极管：输入光电二极管 PD1 和输出光电二极管 PD2。LED 发出的光可被 PD1 和 PD2
吸收。在 HCNR200 工作时，LED 和 PD1 组成隔离转换电路的输入部分并形成负反馈，PD1
用于稳定 LED 发出的光，因此它可以消除 LED 的非线性误差和漂移。PD2 则产生一个和
LED 发出的光量成线性的电流，构成光电隔离转换电路的输出部分，这两个光电二极管 PD1
和 PD2 具有严格的比例关系，芯片的封装设计又保证了高精度、高线性度，并使得发光二
极管 LED 的特性稳定。[1]
在需要良好的精度、稳定性、带宽和低成本的场合，使用 HCNR200 是很多模拟量隔离
问题的很好的解决方案。
HCNR200 的主要技术参数
HCNR200 主要电气参数如下：[1]
推荐的平均输入电流 IF：1~20mA，尖峰输入电流：35mA；
传输增益 K3：~，典型值：；
直流非线性度 NLBF：最大 %，典型值：%；
输入光电二极管电流传递比 IPD1/IF：%~%，典型值：%.
3.模拟量隔离板电路结构设计
将 4~20mA 电流信号转换成 1~5V 电压信号
由于 PLC 的模拟量输入模块可以采集 1~5V 直流电压信号，因此，可以通过接一个 250
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欧的精密电阻，将 4~20mA 电流信号转换成 1~5V 电压信号，如图 4 所示。
图 4 HCNR200 的典型应用电路
HCNR200 的典型和实际应用电路
图 5 是 HCNR200 的典型应用电路，
图 5 HCNR200 的典型应用电路
图 6 是 HCNR200 的实际应用电路。
图 6 HCNR200 的实际应用电路
这两个图均来自于技术手册[1]，图 5 可以解释 HCNR200 是怎样工作的，但就构建一个
能实际工作的电路来说有些过于简单，为此，又在外围电路中增加了一些元件，即构成了使
用电路，即图 6。
运算放大器 A1 调节 LED 的电流 IF，因而也调节光电二极管 PD1 中的电流 IPD1，来维
持 A1 的“+”端电位为 0V。例如，输入电压 VIN 增加时，引起 A1 的“+”端电位高于 0V，
使 IF 和 IPD1 增大。由于 PD1 的连接，假定 A1 为理想运放，没有电流流入其输入端。因此，
所有流过 R1 的电流都会流过 PD1。因 A1 的“+”端电位为 0V，所以 IPD1=VIN/R1。[1]
IPD1 仅由输入电压和 R1 决定，而与 LED 发出的光量无关。由于 LED 发出的光量随温
度的变化而变化，A1 调整 IF 以补偿并维持 PD1 中的电流为恒值。IPD1 与 VIN 严格成比例，
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这使得输入电压和光电二极管电流之间呈极高的线性关系。同样，因为 LED 发出的光照在
两个光电二极管上，IPD2 也和 IPD1 一样稳定。[1]
用 K 表示光电二极管电流之比，即 K= IPD2/ IPD1，K 的典型值为 1。
运算放大器 A2 和电阻 R2 将 IPD2 转换成电压 Vout，即 Vout= IPD2×R2。
将上述关系式，可得到 Vout 和 VIN 的关系：Vout=K*VIN*R2/R1。输出电压与输入电压
的关系是固定、线性的，并且与 LED 发出的光特性无关。通过调整 R2/R1 的大小，即调整
Vout/VIN。[1]
另外，电容 C1 起反馈作用，稳定运放 A1 的输出，同时可以滤除电路中的毛刺信号。
电容 C2 可以抑制线性光耦产生的高频噪声。[3]
4．电路元件及其参数选择
HCNR200 的 LED 的工作电流即 IF，手册中的推荐工作状况为 1~20mA，所以运算放大
器的驱动电流必须达到 20mA，选择双极型运放较为合适，并且，要求运放具有良好的共模
输入和输出能力，本文中运算放大器采用单电源供电的 LM358，其输出电流典型值达到 40
mA，工作电压从 0V 到 30V[2]，由于工控领域广泛使用 24V 直流电源，此处也采用直流 24V
电压，即 VCC1=VCC2=24V。
K1= IPD1/IF，取典型值 %，VCC1=24V，VIN=1~5V，且 Vout=VIN。
HCNR200 的技术手册中给出的推荐平均输入电流 IF：1~20 mA，因此取 IF=20mA，并有
IPD1=% IF= mA。
根据线性光耦的工作电流 IF 和运放的线性范围来选择 R1，R2，R3。
首先，由前面的电路分析 IPD1=VIN/R1，得 R1= VIN/ IPD1=5V/ =50KΩ，由于
Vout=K*VIN*R2/R1，故有 R2=R1=50KΩ。
R3=VCC1/IF=24V/20 mA =Ω。
电容 C1 和 C2 采用 的陶瓷电容器。
5．实验电路搭建与结果分析
在一块万用板上搭建具体的电路，其电路图见图 7
图 7 隔离板电路图
实物图见图 8 和图 9
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图 8 实物电路图
图 9 测量电流、电压的实物图
为了模拟 4~20 mA 电流信号，可将 24V 电源，串上一可调限流电阻来提供电流信号，
将此电流转换成电压的是 250Ω的精密电阻。
需要说明的是考虑到电路元件的误差和温漂等影响，因而有必要将 R2（计算值 50K）
设计成可调电阻，在此，为了方便调节，我们将电阻 R2 设计成一个固定电阻 R20 和一个可
调电阻 R2*串联的形式，固定电阻为 40 KΩ的色环电阻，可调电阻的最大阻值为 20 KΩ。
在实验时，先给定 20 mA 的电流信号，并调节 R2*，使得输出电压为 ，然后保持
R2*不变，减小电流信号，并测量输出电压 Vout，记录下数据，比较与理想值的误差，理论
值为 Vout=×I。记录下当电流为 20 mA、16 mA、12 mA、8 mA、4 mA 标准电流信号
时，输出电压 Vout 的值，由于实验室中使用万用表当作电流表和电压表，万用表电流档量
程不方便准确测量 20mA 电流，因此只要大于 即可，实验数据见表 1。还可通过最
小二乘法得出 Vout 与 I 的最佳逼近关系式，并与 Vout=×I 相比较，在此不再赘述。
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表 1 实验数据
电流 I（mA）
电压测量（V）
电压理论值（V）
电压误差是否
小于 1% 是 是 是 是 是
可见，实验室环境下，采用可调电阻的方法，可以将误差减小到工程上允许的范围。
6.结论
应用线性光耦 HCNR200 组成的模拟量隔离电路简单、经济、实用，并且稳定性好、线
性度高，是一种很好的模拟量隔离问题的解决方案。本文设计了一路隔离电路，将 4~20 mA
电流信号转换为可供 PLC 模拟量输入模块接收的 1~5V 电压信号，在实际应用中，在印刷
电路板上，可按相同的电路结构和元件参数拓展为 4 路，6 路，8 路等。而为了尽量消除不
同板子的参数差别以及同一块板子在不同温度下电子元器件特性漂移等问题带来的误差，采
用可调电阻不失为一种解决的良好方法。
参考文献
[1] High-Linerarity Analog Optocouplers,Technical Data．HCNR200,HCNR201．
[2] Low Power Dual Operational Ampliers,LM158,A-LM258,A LM358,A．
[3] 童诗白．华成英主编．模拟电子技术基础［M］．北京：高等教育出版社，2001．
Linear optocoupler in analog isolation board
Wang Lihua, Bian Shaoshun
Science and Technology, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou (221008)
Abstract
In his paper, we use a high-precision linear Optocoupler HCNR200 to design an analog isolation circuit
board, it can convert 4 ~ 20mA current signal of the common industrial sensors into 1 ~ 5V voltage
signal which is provided to the PLC analog input module. The circuit has good linearity and high
accuracy; The circuit structure is simple and practical,and the experimental effect is good.
Keywords：Linear Optocoupler;HCNR200;isolation;current-voltage conversion
