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1、专业：电子信息工程 姓名：彭嘉乔 学号：3130104084 日期：2015.05.07 地点：东3-211 实验报告课程名称：电路与电子技术实验II 指导老师：沈连丰 成绩：_实验名称：光电耦合器件在电子电路中的应用实验实验类型：_同组学生姓名：_一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、 实验目的和要求1、熟悉光耦合器件及其种类，基本掌握常用光耦合器件的使用。2、掌握光耦合器件的常用电路的设计、调试方法。二、实验内容和原理实验内容：1、设计一个实现电平转换电路。要求输入
2、05V电平信号，对应输出为012V的电平转换（光耦合器输入低电平时，光耦合器输出低电平信号；光耦合器输入高电平时，光耦合器输出高电平信号）2、设计一个实现电平转换电路。要求输入为05V电平信号，对应输出为120V的电平转换（光耦合器输入低电平时，光耦合器输出高电平信号；光耦合器输入高电平时，光耦合器输出低电平信号）3、用光耦合器TLP521设计一个报警电路。当输入2V时，工作电压为12V的继电器动作；当光耦合器输入0V时，继电器停止动作，蜂鸣器报警实验原理：在电气测量、控制电路中，光电耦合器可实现输入输出的隔离，有效地提高控制系统的抗干扰能力；实现测试电路与被测试电路之间的隔离能有效的保护测试
3、设备。光电耦合器已广泛的应用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离等具体电路中。 根据光电耦合器输入输出关系可分为：非线性光电耦合器和线性光电耦合器 非线性光电耦合器的电流传输特性曲线是非线性的，这类光电耦合器适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常用的4N系类光电耦合器属于非线性光电耦合器；线性光电耦合器的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。常用的线性光电耦合器是PC817系列。根据光电耦合器输出形式可分为：a. 光敏器件输出型：光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。 b. NP
4、N三极管输出型：交流输入型，直流输入型，互补输出型等。 c. 达林顿三极管输出型：交流输入型，直流输入型。 d. 逻辑门电路输出型：门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。e. 功率输出型：IGBT/MOSFET等输出。 基于非线性光电耦合器和线性光电耦合器的以上特征，其主要有如下应用：采用光电耦合器隔离驱动电路与微处理器间的联系，避免一旦驱动电路发生故障造成功率放大器中的高电平信号进入微处理器而损坏器件，并可提高系统抗干扰的能力。 步进电机绕组采用达林顿管TIP142驱动。当控制信号输入为高电平1时，晶体管Q1导通，发光二极管亮，光电耦合器A中的光敏三极管导通，晶体管Q2导通，达
5、林顿管T导通，步进电机某一相控制绕组通电。反之，当控制信号输入为低电平0时，晶体管Q1截止，光电耦合器A中的光敏三极管截止，晶体管Q2截止，达林顿管T截止，步进电机某一相控制绕组不通电。D为步进电机绕组放电二极管。微处理器驱动步进电机电路中的单相电路图 Q为光电耦合器发光源驱动晶体管，限流电阻R2可按R1=(VCC-VF)/IFT计算。光电耦合器的IFT(发光源二极管触发电流)为15mA；VF(发光源二极管的正向电压)，可取1.21.4V。当输入控制端为高电平时，晶体管Q导通，光电耦合器触发双向晶闸管D导通，接通交流负载。当双向晶闸管接感性交流负载时，为了防止浪涌电压损坏双向晶闸管，在双向晶闸
6、管两极间并联一个RC阻容吸收电路。R3为双向晶闸管的门极电阻，可提高抗干扰能力。R4为触发功率双向晶闸管的限流电阻，其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定，可按式：R4=VP/ITSM选取。VP为交流电路中的峰值电压，ITSM为峰值重复浪涌电流(一般可取1A)。光电耦合器驱动双向晶闸管电路图 驱动电路：用光电耦合器驱动继电器的典型电路光电耦合器驱动继电器的典型电路负载短路保护电路：当主回路电流超过额定值时，光电耦合器A中的光敏三极管导通，Vout端输出低电平。在该电路中，测量回路与开关控制电路间有效地实现了电隔离。负载短路保护电路信号光电隔离放大电路原理：在电子控制系统中
7、，为提高控制系统的抗干扰性能，可以对输入电压信号进行线性光隔离处理，普通光电耦合器在模拟电路中使用时，可通过非线性校正或补偿措施，实现模拟信号的线性传输。（1）、单电源供电的直流信号光电耦合放大电路由两个采用不同单电源供电的运算放大器LM358、一个普通的光电耦合器TLP521-2构成的直流信号光电隔离放大电路如下图所示。单电源供电的直流信号光电耦合放大电路电路中VDD和VCC为两组独立的正电源。电容器C构成交流负反馈同路，防止自激振荡。两个光电耦合器集成在一个芯片TLP512-2的内部，可保证其特性基本一致。光电耦合器A1用于隔离，A2用于反馈控制，两个光电耦合器串联使用，组成差分负反馈对称
8、补偿电路，用来补偿单个光电耦合器的非线性。从电路图可知，光电耦合器的驱动电流，因此有，设光电耦合器和的电流非线性传输函数分别为：和。即：和，根据运放的虚短特性，有及，则可得直流信号光电隔离放大器的电压增益为,其中.。当双光电耦合器A1和A2的传输特性函数的温度特性与电流的非线性是完全一致的时候，即，则A=K。K即为该隔离放大器的电压传输。由此可见，利用光电耦合器和电流传输特性的对称性，一个作为输入，一个作为反馈，可以巧妙的补偿其非线性。（2）、单电源供电的模拟信号光电耦合放大电路单电源供电的模拟信号光电耦合放大器如图所示。采用两个独立的单电源及运放，通过两个电耦合器实现前级与后级电路的隔离。可
9、用于模拟信号的传输，避免干扰信号对输出信号的影响。单电源供电的模拟信号光耦合放大电路 对于模拟量的传输，最好采用线性度高的线性光耦合器。我们可以选用HCNR200/201光耦合器。这是一个由三个光电元件组成的器件。其1和2引脚为发光源二极管，3和4引脚为输入反馈光接收二极管，5和6引脚为输出光接收二极管。当发光源二极管流过电流的时候，反馈光二极管产生控制电流，有效的消除发光源二级管的非线性，漂移等特性，而输出光接收二极管作为输出电路的一部分，能产生与发光源强度成线性关系的光电流，实现测量电路与输出电路之间的线性传递。由HCNR200/201光耦合器构成的单电源供电的直流电压光耦合传输电路如图所
10、示。工作原理与非线性光耦合器相类似。电路中的C是反馈电容，具有提高电路的稳定性，消除自激振荡，消除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声等作用，其电容量可根据电路的频率特性来选取。HCNR200/201光耦合器构成的单电源供电的直流电压光耦合传输电路HCNR200/201光耦合器构成的单电源供电的交流电压光耦合传输电路三、实验器材 LM358运算放大器、TLP521-2、万用表、信号发生器、示波器、万用表、电阻、电容、导线等。四、操作方法和实验步骤 1、光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法 ”测量电流、“逐点测量法”测量伏安特性）(1) 反相器 电子开关 非门 反相传输电路 电平转换电路 浮地
11、 或 浮置，共地要求输入为 05VDC 电平信号，对应输出约为 150VDC 的电平转换。 a)根据测量结果绘制输入伏安特性曲线。b)分析RL固定时，R1值应多大才合理？ (2) 输出伏安特性测量a)根据测量结果绘制 输出伏安特性曲线。b)分析VCE 增大时 VF 是增大还是减小？（ 光耦TLP521-2发热的影响。）c)分析VCE 增大时CTR值的变化。 2、测量反相器的最高工作频率（或 传输速率 ）（1）输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp 后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp 、频率。 示波器
12、双踪显示 vI、vCE 的波形，记录波形可用图片。分析该反相器的最高工作频率（或 传输速率 ） 应多大才合理？ （2）输入信号是正弦波、三角波信号时，用示波器监视输出电压波形，分析该反相器能否传输正弦波、三角波信号？ 示波器双踪显示 vI、vCE 的波形，记录波形可用图片。 3、用光电耦合器TLP521 设计一个报警电路。当输入2VDC 时，发光二极管点亮；当输入0VDC 时，发光二极管熄灭。分析R1、RL值应多大才合理？4、测量同相传输电路的最高工作频率（或 传输速率）(1) 设计一个同相传输电路 或 电平转换电路。要求输入为 05VDC 电平信号，对应输出约为 015VDC 的电平转换。分
13、析RL固定时，R1值应多大才合理？(2)输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp 后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp 、频率。 示波器双踪显示 vI、vO 的波形，记录波形可用图片。分析该同相传输电路的最高工作频率 （或 传输速率）应多大才合理？(3)输入信号是正弦波、三角波信号时，用示波器监视输出电压波形，分析该同相传输电路能否传输正弦波、三角波信号？示波器双踪显示 vI、vO 的波形，记录波形可用图片。(4)用示波器测量电流传输特性曲线（电流转移特性曲线）。输入信号是正弦波、三角波信号（低频100
14、Hz以下）时，用示波器双踪显示 vR1、vO 的波形，再将显示格式改为 XY格式，测量电流传输特性曲线，记录波形可用图片。 5、模拟信号光电隔离放大电路(1)设计一个直流电压测量电路。输入直流电压 03VDC，输出直流电压约为 03VDC。(a)3VDC由10kW电位器对+5VDC分压获得。(b)用示波器监视输出电压 vO 的波形，若有自激振荡现象，则将C 增大为2200pF，甚至为 0.01F。(c)运放A1可用U2，运放A2可用U4，光耦在U7。(d)根据测量结果绘制 电压传输特性曲线，分析该光电隔离放大电路的非线性如何？五、实验数据记录和处理1、光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法 ”
15、测量电流、“逐点测量法”测量伏安特性）(1) 反相器 电子开关 非门 反相传输电路 电平转换电路 浮地 或 浮置，共地要求输入为 05VDC 电平信号，对应输出约为 150VDC 的电平转换。 (2) 输出伏安特性测量2、测量反相器的最高工作频率（或 传输速率 ）（1）输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp 后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp 、频率。 （2）输入信号是正弦波、三角波信号时，用示波器监视输出电压波形，分析该反相器能否传输正弦波、三角波信号？ 输入信号为正弦波时，分别取频率为10Hz、
16、50Hz、1kHz、15kHz：输入信号为三角波时，分别取频率为10Hz、50Hz、1kHz、15kHz：3、用光电耦合器TLP521 设计一个报警电路。如图所示即可。4、测量同相传输电路的最高工作频率（或 传输速率）(1) 设计一个同相传输电路 或 电平转换电路。如图所示。(2)输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp 后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp 、频率。 (3)输入信号是正弦波、三角波信号时，用示波器监视输出电压波形，分析该同相传输电路能否传输正弦波、三角波信号？示波器双踪显示 vI、vO
17、 的波形，记录波形可用图片。输入信号为正弦波时，分别取频率为10Hz、100Hz、1kHz、15kHz：输入信号为三角波时，分别取频率为10Hz、100Hz、1kHz、15kHz：(4)用示波器测量电流传输特性曲线（电流转移特性曲线）。输入信号取50Hz正弦波：输入信号取50Hz三角波： 5、模拟信号光电隔离放大电路(1)设计一个直流电压测量电路。六、实验结果与分析1、光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法 ”测量电流、“逐点测量法”测量伏安特性）(1)反相器 电子开关 非门 反相传输电路 电平转换电路 浮地 或 浮置，共地要求输入为 05VDC 电平信号，对应输出约为 150VDC 的电平转
18、换。 a)根据测量结果绘制输入伏安特性曲线。b)分析RL固定时，R1值应多大才合理？由CTR的值可知R1取2k较为合理。(2)输出伏安特性测量a)根据测量结果绘制 输出伏安特性曲线。b)分析VCE 增大时 VF 是增大还是减小？（ 光耦TLP521-2发热的影响。）显然VF减小。c)分析VCE 增大时CTR值的变化。 VCE 增大时CTR先增大后减小。2、测量反相器的最高工作频率（或 传输速率 ）(1)分析该反相器的最高工作频率（或 传输速率 ） 应多大才合理？如图所示为12kHz。 (2)无论输入信号频率如何，输出皆失真，则不能传输正弦波和三角波信号。4、测量同相传输电路的最高工作频率（或 传输速率）(2)最高工作频率应低于300Hz。(3)显然无论输入信号频率如何输出都失真。则不能传输正弦波和三角波。 5、模拟信号光电隔离放大电路(1)电压传输比在0.9-1.1之间波动。七、心得体会之前模电课讲放大电路耦合方式的时候提到过光电耦合，这次实验让我见识了光耦的真面目，熟悉光耦合器件及其种类，基本掌握常用光耦合器件的使用，掌握光耦合器件的常用电路的设计、调试方法，学到了很多新的知识，感觉收获很大。2015.05.10