一种模拟信号隔离器的研究与设计
张天海
中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京（100083）
E-mail：zth886@
摘 要： 模拟信号隔离器在计算机监控、信号采集领域中具有广泛的用途。论文从工程实
际应用出发，采用模块化组合的设计思想，利用线性光耦 HCNR200 及高精度电压/电流转
换芯片 XTR110，设计了一种高速宽带线性模拟信号隔离器。该模拟信号隔离器具有结构简
单、精度高、速度快、频带宽、成本低和便于集成等优点。此外，由于设计方案的灵活性，
为设计多功能模拟信号隔离器提供了很好的解决方案。经工程实际应用验证，电路可以很好
地完成单路 4~20mA 电流（或 0~10V 电压）输入，两路 4~20mA 电流（或 0~10V 电压）
输出的功能，在有效的输入范围内，非线性误差小于 %。
关键词： 模拟信号；隔离器；线性光耦
一、 前言
在工业现场，距离较远的电气设备、仪表、控制系统、DCS 系统之间进行的信号传输，
往往存在干扰，甚至造成系统不稳定甚至误操作。因此在各种用途的信号检测与控制中，模
拟信号隔离器被用来消除共模干扰对仪器设备的工作造成的不良影响。而且，随着检测和控
制精度的不断提高及仪器设备可靠性的要求，需要用模拟信号隔离器的场合越来越多。正是
由于这种实际应用的需求，本文提出了一种基于线性光耦器件的模拟信号隔离器的设计方
法，此隔离器线路简单，功能多样，传输精度高，非线性程度小于 % 。
二、 系统设计
工作原理
按照本设计的要求，电路基本原理图[1]如图 1 所示，其基本工作原理如下所述。
电
流
/
电
压
转
换
环
节
电
压
跟
随
环
节
放
大
环
节
电压跟随
环节
光耦隔离
环节
电压/电流
转换环节 1
电压跟随
环节
光耦隔离
环节
电压/电流
转换环节 2
图 1 系统结构图
先将单路输入的 4~20 mA 电流经电流/电压转换环节转换，并经放大环节放大后转换为
2 ~ 10V 的电压，再将 2~10V 的电压分为两路，然后分别对这两路 2~10V 电压进行光耦隔离，
光耦隔离环节的放大比例为 1：1，最后分别将两路光耦隔离环节输出的 2~10V 电压转换为
- 1 -
4~20 mA 电流输出。
本电路不仅仅可以分流器（单路电流输入/两路电流输出）的功能，只需对电路稍加改
动，就可以实现单路电流输入/两路电压输出，单路电压输入/两路电流输出，以及单路电压
输入/两路电压输出。具体更改方法如下：
1) 单路电流输入/两路电压输出：
只需去除电压/电流转换环节，从两个光耦隔离环节输出的就是两路输出电压信号。
2） 单路电压输入/两路电流输出：
此时要去除电路前面的电流/电压转换、电压跟随及放大环节，把输入信号直接加在图 1
放大环节后面的分路点，把电压/电流转换环节设置在工作模式 2（见下节说明）。
3） 单路电压输入/两路电压输出：
这种情况下，把输入电压加在图 1 放大环节后面的分路点，从两个光耦隔离环节输出的
就是两路输出电压信号。
详细设计
由于光耦隔离环节[2]和电压/电流转换环节[3]是本电路的核心，下面将详细介绍它们。
1） 光耦隔离环节
图 2 光耦隔离电路
光耦隔离采用性能优越的线性光耦芯片HCNR200，详细电路如图2所示，整个光耦隔
离环节的放大倍数是：
K =（R13+R14）/ (R10+R11)
只需调节 R11 和 R14 的值，就可以调节放大倍数，本设计中选择放大倍数为 1。
电阻 R12 是为了对流入光耦芯片 HCNR200 的电流进行限流，一般限制在 25mA，则
R12 的阻值为：
R12 = Vcc / 25mA
另外，可以通过选择合适的 C1 和 C2 对电路进行低通滤波，滤出电路中的高频干扰。
2） 电压/电流转换环节
电压/电流转换采用高精度的电压/电流转换芯片 XTR110，具体电路如图 3 所示，可以
通过对跳线 J3 和 J4 的设置，来改变电压/电流转换芯片 XTR110 的工作模式，XTR110 的
工作模式有以下两种：
1） 模式 1：
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接通 J3 的 1、2 脚，并接通 J4，此时 XTR110 工作在 2~10V 电压输入/4~20mA 电流
输出的模式。
2） 模式 2：
接通 J3 的 2、3 脚，并断开 J4，此时 XTR110 工作在 0~10V 电压输入/4~20mA 电流
输出的模式。
图 3 电压/电流转换电路
可以通过电阻 R18 进行电路的零点调节，R16 进行电路的满量程调节。
三、实验数据
在 4～ 20mA 范围内，每隔 1mA 测一组数据，在常温下对其传输特性进行了测量，
测量结果如表 1 所示。
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四、 总结
通过实验验证得知，该信号隔离器可以很好的实现模拟信号的隔离，最大的非线性度小
于 %。由于采用了模块化的设计思想，可以通过不同模块的组合，实现多种电路功能，
这样就极大地方便了系列化产品的开发。该设备已经成功应用于某型号发电机组监控系统
中，用于传感器信号的隔离传输，并取得了良好的效果。
参考文献
[1] 康华光．电子技术基础 模拟部分［M］：高等教育出版社，2003．
[2] 张宝生．基于高线性模拟光耦器件 HCNR200 的模拟量隔离板［J］．《仪表技术》，2005，（2005 年
05 期）．
[3] 凌季平．一种模拟量输出接口的设计［J］．《自动化与仪器仪表》，2006，（2006 年 06 期 ）．
The Research and Design of an analog signal isolation
amplifier
Zhang Tianhai
School of Mechanical Electronic&Information Engineering, CUMTB, Beijing，PRC
(100083)
Abstract
The analog signal isolation amplifier has been used in the field of Computer Monitoring and data
acquisition. This paper develops a high speed and wideband linear analog signal isolation amplifier,
which is on the ground of practical engineering application requests and uses linear optocoupler
HCNR200 and high-precision voltage / current conversion chip XTR110. The design has advantages of
simple structure, high precision, high speed, broad frequency bandwidth and low lost, and can be
integrated. In addition, the design provides a good solution for the design of multi-function analog
signal isolators, because of its practical application, the design can realizes the
function of single channel 4 ~ 20 mA current (or 0 ~ 10 V voltage) input and double channel 4 ~ 20
mA current (or 0 ~ 10 V voltage) output. The nonlinear error is less than % within the valid input.
Keywords: Analog Signal； Signal Iisolation Amplifier； Linear Optocoupler
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