光耦合器（光电隔离器）是电子线路中隔离电压冲击及噪声串扰的优选器件，具有休积小、隔离效果好、价格便宜、便于安装等特点。昌晖仪表结合A/D转换电路的实例，以6N137为典型芯片，详细介绍光耦合器（光电隔离器）的性能和使用方法。
一、6N137原理及典型用法
6N137的结构原理如图1所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流一电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阂值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。
图1 6N137结构原理图 图2 6N137使用方法
6N137简单的结构原理原理如图2A所示，若以脚2为输入，脚3接地，则真值表如附表所列，这相当于非门的传输。若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从脚3输入，脚2接高电平。
6N137真值表
输入 使能 输出
H H L
L H H
H L H
L L H
隔离器使用方法如图2B所示，假设输入端属于模块Ⅰ，输出端属于模块Ⅱ。输入端有A、B两种接法，分别得到反相或同相逻辑传输，其中RF限流电阻。发光二极管正向电流0-250μA ,光敏管不导通；光二极管正向压降注12-1.7V，正向电流6.5-15mA,光敏管导通。若以B方法联结，TTL电平输入，VCc1为5V时，RF可选500欧姆左右。如果不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大,对VCC1有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相当大的尖峰脉冲噪声，而通常印刷电路板的分布电感会使地线吸收不了这种噪声，其峰-峰值可达100mV以上,足以使模拟电路产生自激，A/D 不能正常工作。所以在可能的情况下,RF应尽量取大。输出端由模块Ⅱ供电,VcC2=4.6-5.5V。VOC2（脚8）和地（脚5）之间必须接一个0.1μF高频特性良好的电容，如瓷介质或钮电容，而且应尽量放在脚5和脚8附近。这个电容可以吸收电源线上纹波，又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电源的冲击。脚7是使能端，当它在0-0.8V时强制输出为高（开路）)；当它在2.0-VCC2时允许接收端工作，见附表。脚6是集电极开路输出端，通常加上拉电阻RL。虽然输出低电平时可吸收电流达13mA，但仍应当根据后级输入电路的需要选择阻值。因为电阻太小会使6N137耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。一般可选4.7kΩ，若后级是TTL输入电路，且只有1到2个负载，则用47kΩ或15kΩ也行。CL出负载的等效电容，它和RL影响器件响应时间，当RL=350Ω，CL=15pF时，响应延迟为48-75ns。注意：6N137不应使用太多，因为它的输入电容有60pF，若过多使用会降低高速电路的性能。情况允许时，考虑把并行传输的数据串行化，由一个光电隔离器传送。
二、6N137应用实例
信号采集系统通常是模拟电路和数字电路的混合体，其中模数变换是不可缺少的。从信号通路来说，A/D变换之前是模拟电路，之后是数字电路。模拟电路和AD变换电路决定了系统的信噪比，而这是评价采集系统优劣的关键参数。为了提高信噪比，通常要想办法抑制系统中噪声对模拟和AD电路的干扰。在各种噪声当中，由数字电路产生并串入模拟及AD电路的噪声普遍存在且较难克服。数字电平上下跳变时集成电路耗电发生突变，引起电源产生毛刺，通常对开关电源影响比线性电源大，因为开关电源在开关周期内不能响应电流突变，而仅由电容提供电流的变化部分。一般数字电路越复杂,数据速率越高，累积的电流跳变越强烈，高频分量越丰富。而普通印刷电路的分布电感较大，使地线不能完全吸收逻辑电平跳变产生的电流高须分量，产生电压的毛刺，而这种毛刺进入地线后就不能靠旁路电容吸收了，而且会通过共同的地线或穿过变压器，干扰模拟电路和AD转换器，其幅度可高达几百毫伏，足以使AD工作不正常。
在昌晖仪表研制的某数据集系统，要求信噪比1000，12位量化级别，并行数据传输，数据传输率500kBs/。要达到上述要求，A/D能否达到转换精度是个关键。在未采用光电隔离器的电路中，虽采取了一系列措施，但因各模块间地线相联，数字电路中尖峰噪声影响仍较大，系统信噪比只达500。故我们采用6N137将模拟电路及AD变换器和数字电路彻底隔离,，如图3所示。
图3 带光电隔离器的数据采集系统
电源部分由隔离变压器隔离,减少电网中的噪声影响。数字电源和模拟电源不共地,由于模拟电源一般只有±15V，而A/D转换器还需要+5电源，为使数字电路与模拟电路真正隔离，+5电源由+15V模拟电源经DC-DC变换器得到。模拟电路以及A/D转换电路与数字电路的信号联系都通过6N137。逐次比较型A/D并行输出12位数据，每一路信号经缓存器后送入6N137的脚3，进行同相逻辑传输至数字电路，输入端限流电阻选用470Ω，输出端上拉电阻选用47kQ，输出端电源和地间(即6N137的脚8和脚5间)接0.1μF瓷片电容，作为旁路电容以减少对电源的干扰。6N137的使能端接选通信号，使6N137在数据有效时才工作，减少工作电流。模拟电路和A/D转换所需的各路控制信号也通过6N137接收，接法同上，在时序设计中要特别注意6N137约有50ns的延时。与未采用光电隔离器的数据采集电路相比,系统信噪比提高了一倍以上,满足了系统设计要求。
文章作者：邵晖 舒嵘
