王嵐機電接口技術(shù)第三章信號隔離電路

1、第3章 信號隔離電路主講教師：圖 模擬量的輸入/輸出通道結(jié)構(gòu)圖信號傳感器信號變送器信號處理環(huán)節(jié)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持電路A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場信號輸入信息微型計算機工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行部件驅(qū)動放大低通濾波器D/A轉(zhuǎn)換器輸入輸出接口信息鎖存器輸出信息控制信號 1. 模擬量的輸入通道模擬量的輸入通道 典型的模擬量輸入通道由以下幾部分組成。 1) 傳感器 傳感器是用于將工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的某些非電物理量轉(zhuǎn)換為電量(電流、電壓)的器件。例如，熱電偶能夠?qū)囟冗@個物理量轉(zhuǎn)換成幾毫伏或幾十毫伏的電壓信號，所以可用它作為溫度傳感器；而壓力傳感器可以把物理量壓力的變化轉(zhuǎn)換為電信號，等等。 2) 變送器 一般來講，傳感器輸出的電信號

2、都比較微弱，有些傳感器的輸出甚至是電阻值、電容值等非電量。為了易于與信號處理環(huán)節(jié)銜接，就需要將這些微弱電信號及電阻值等非電量轉(zhuǎn)換成一種統(tǒng)一的電信號，變送器就是實現(xiàn)這一功能的器件。它將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成010 mA或420 mA的統(tǒng)一電流信號或者05 V的電壓信號。 3) 信號處理環(huán)節(jié) 信號處理環(huán)節(jié)主要包括信號的放大及干擾信號的去除。它將變送器輸出的信號進行放大或處理成與A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換器所要求的輸入相適應(yīng)的電平。另外，傳感器通常都安裝在現(xiàn)場，環(huán)境比較惡劣，其輸出常疊加有高頻干擾信號。因此，信號處理環(huán)節(jié)通常是低通濾波電路，如RC濾波器或由運算放大器構(gòu)成的有源濾

3、波電路等。 4) 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 在生產(chǎn)過程中，要監(jiān)測或控制的模擬量往往不止一個，尤其是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要采集的模擬量一般比較多，而且不少模擬量是緩慢變化的信號。對這類模擬信號的采集，可采用多路模擬開關(guān)，使多個模擬信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣和轉(zhuǎn)換，以降低成本。 5) 采樣保持電路 在數(shù)據(jù)采樣期間，保持輸入信號不變的電路稱為采樣保持電路。由于輸入模擬信號是連續(xù)變化的，而A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時間，這段時間稱為轉(zhuǎn)換時間。不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換時間不同。對于變化較快的模擬輸入信號，如果不在轉(zhuǎn)換期間保持輸入信號不變，就可能引起轉(zhuǎn)換誤差。A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換時間越長，對同樣頻率模

4、擬信號的轉(zhuǎn)換精度的影響就越大。所以，在A/D轉(zhuǎn)換器前面要增加一級采樣保持電路，以保證在轉(zhuǎn)換過程中，輸入信號保持在其采樣期間的值不變。 6) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D 這是模擬量輸入通道的中心環(huán)節(jié)，它的作用是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的數(shù)字信號，以便計算機進行分析和處理。 3.1信號隔離概述 在各種工業(yè)過程的測量和控制系統(tǒng)中，干擾是一個不容忽視的因素。信號隔離是抵抗外界干擾的一個必要而有效的手段，它可以實現(xiàn)兩個功能：1、隔離外界的共模電壓2、隔離從外界串引進來的電磁干擾信號隔離的意義 信號隔離器在工業(yè)生產(chǎn)過程中實現(xiàn)監(jiān)視和控制需要用到各種自動化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，它們之間的信號傳輸既有微弱

5、到毫伏級、微安級的小信號，又有幾十伏，甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信號；既有低頻直流信號，也有高頻脈沖信號等等，構(gòu)成系統(tǒng)后往往發(fā)現(xiàn)在儀表和設(shè)備之間信號傳輸互相干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。 信號隔離的原理 信號隔離的目的： 在于從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。 隔離的實質(zhì)： 把引入干擾的通道切斷，從而到達隔離現(xiàn)場干擾的目的。 常見的隔離方式： 光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離、隔離放大器等。 信號隔離的分類：模擬量和數(shù)字量。 3.2 開關(guān)量的隔離方法開關(guān)量的隔離方法1、光電耦合器、光電耦合器 光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起

6、，光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合，構(gòu)成通過光線實現(xiàn)耦合，構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器件。的轉(zhuǎn)換器件。將將電信號送入光電耦合器輸入端的發(fā)光器件時，發(fā)光器電信號送入光電耦合器輸入端的發(fā)光器件時，發(fā)光器件將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，光信號經(jīng)光接收器接收，件將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，光信號經(jīng)光接收器接收，并將其還原成電信號。由于其輸入與輸出之間沒有直并將其還原成電信號。由于其輸入與輸出之間沒有直接的電氣聯(lián)系，信號輸出是通過光耦合的，所以也稱接的電氣聯(lián)系，信號輸出是通過光耦合的，所以也稱為光電隔離器。為光電隔離器。光電耦合器的一次側(cè)光電耦合器的一次側(cè)（輸入端輸入端）一般一般都是發(fā)光二極管，但是二次側(cè)

7、（輸出端）則有多種結(jié)都是發(fā)光二極管，但是二次側(cè)（輸出端）則有多種結(jié)構(gòu)，如光敏二極管、光敏三極管等等。構(gòu)，如光敏二極管、光敏三極管等等。輸入輸出ce光電耦合器特點：光電耦合器特點： （1）光電耦合器的信號傳遞采用）光電耦合器的信號傳遞采用2、光電耦合器的特點與常用類型、光電耦合器的特點與常用類型 光電耦合器的特點光電耦合器的特點輸入輸出ce 3、 光電耦合器的基本性能光電耦合器的基本性能 圖中光電耦合器件由兩部分組成：發(fā)光二極管和光敏三極圖中光電耦合器件由兩部分組成：發(fā)光二極管和光敏三極管。當(dāng)發(fā)光二極管通過一定電流時它就會發(fā)光，該光被光敏三管。當(dāng)發(fā)光二極管通過一定電流時它就會發(fā)光，該光被光敏三極

8、管接收，就使它的極管接收，就使它的c、e兩端導(dǎo)通。當(dāng)發(fā)光二極管內(nèi)沒有電流兩端導(dǎo)通。當(dāng)發(fā)光二極管內(nèi)沒有電流流過時，就沒有光照射到光敏三極管，從而使三極管截止，流過時，就沒有光照射到光敏三極管，從而使三極管截止，c、e兩端開路。用此方法就可以將邏輯值以光的有、無方式從左端兩端開路。用此方法就可以將邏輯值以光的有、無方式從左端傳到右端。傳到右端。輸入輸出ce開關(guān)量的隔離方法 1、晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 光電晶體管出了沒有使用基極外，跟普通晶體管一樣。取代基極電流的是以光作為晶體管的輸入。當(dāng)光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時，光電晶體管受光的影響在cb間和ce間有電流流過，這兩個電流基本上受光的照度

9、控制，常用ce極間的電流作為輸出電流，輸出電流受Vce的電壓影響很小。光電晶體管的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的電流If之比稱為光電耦合器的電流傳輸比。光電耦合器在傳輸脈沖信號時，對不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器的輸入輸出延遲時間相差很大。輸入輸出ce開關(guān)量的隔離方法 4N25作用：耦合脈沖信號隔離輸入信號使兩部分的電流信號獨立。輸出部分的地線接機殼或接大地，而8031系統(tǒng)的電壓地線浮空，不與交流電源的地線相接?？杀苊廨敵霾糠蛛娫醋儞Q對單片機電源的影響，4N25輸入輸出的的最大隔離電壓2500V.RI(限流電阻）=(VCC-Vf-Vcs)/If開關(guān)量信號的輸出開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離開關(guān)信號

10、輸出的電氣隔離 光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，可以形成電流環(huán)路傳送形式光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，可以形成電流環(huán)路傳送形式 當(dāng)被控設(shè)備遠離單片機時，光電隔離接口電路設(shè)計如圖所示。該電路為電當(dāng)被控設(shè)備遠離單片機時，光電隔離接口電路設(shè)計如圖所示。該電路為電流環(huán)發(fā)送和接受電路，可以極大地提高系統(tǒng)的抗干擾性能，最大傳輸距離流環(huán)發(fā)送和接受電路，可以極大地提高系統(tǒng)的抗干擾性能，最大傳輸距離可達可達900m，傳輸速率可達，傳輸速率可達 50Kbs，但必須保證傳輸線中環(huán)路連線電阻，但必須保證傳輸線中環(huán)路連線電阻30歐姆，當(dāng)該阻值過大時，歐姆，當(dāng)該阻值過大時，l00歐姆的限流電阻相應(yīng)減小。歐姆

11、的限流電阻相應(yīng)減小。開關(guān)量信號的輸出開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離開關(guān)信號輸出的電氣隔離 TIL110功能與功能與4N25相同，但開關(guān)速度比它快。相同，但開關(guān)速度比它快。50歐姆的電阻不僅可以限流，最主要的是起到阻尼的作用，防止傳送的信號發(fā)生畸變或產(chǎn)生突發(fā)的尖峰。電流環(huán)的電流If=VCC-(VF+VCS)/R1+R2輸出端接一個帶施密特整形電流的反相器，作用：提高電流抗干擾能力。電平在0.82V之間變化輸出不改變狀態(tài)。因此更接近理想的波形。2、晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 2、晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管，當(dāng)光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，

12、晶閘管即導(dǎo)通，有的光電耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時對電網(wǎng)的影響 4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器當(dāng)輸入端有1530mA電流時，輸出的晶閘管導(dǎo)通，輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。隔離電壓為15007500V。4N40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不用此端時，此端可對陰極接一個電阻。 2、晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA,輸出端額定電壓為400V，輸入輸出隔離電壓為7500V。 4N40常用于小電流用電器的控制，如指示燈等

13、，MOC3041一般不直接用于控制負載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。3.2 開關(guān)量的隔離方法開關(guān)量的隔離方法(3)繼電器隔離 在經(jīng)過光電隔離耦合器OPTO后，直流部分給繼電器供電，而其輸出部分則可直接與220V市電相接。繼電器的驅(qū)動電路上常常反接一個保護二極管用于反向放電。電阻R為限流電阻。第三章第三章 信號隔離電路信號隔離電路 光電耦合器是目前在單片機和開關(guān)電源中用得最多的抗干擾器件。光耦合器（光電耦合器是目前在單片機和開關(guān)電源中用得最多的抗干擾器件。光耦合器（opticaloptical couplercoupler，英文縮寫為，英文縮寫為OCOC）亦稱光電隔離器或光電耦合

14、器，簡稱光耦。）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光它是以光為媒介來傳輸電信號為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LEDLED）與受光器（光敏半）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加TTLTTL電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電電光光電電”轉(zhuǎn)換，如圖轉(zhuǎn)換，如圖7 7。 圖27 光電耦合器原理及產(chǎn)品圖 接口卡接口卡D1圖圖 光電耦合器工作原理光電耦合

15、器工作原理 2. 2. 外設(shè)是大于外設(shè)是大于5 5伏的信號伏的信號 外設(shè)大于外設(shè)大于5 5伏的電壓可能對伏的電壓可能對CPUCPU的的TTLTTL電平產(chǎn)生干擾，所以要采用電平產(chǎn)生干擾，所以要采用光電耦合器進行光電隔離，使外設(shè)電壓不能干擾計算機光電耦合器進行光電隔離，使外設(shè)電壓不能干擾計算機TTLTTL電平，電平，如外設(shè)是如外設(shè)是2424伏的直流繼電器，如伏的直流繼電器，如下圖下圖采用中間繼電器控制，采用中間繼電器控制，D1D1位為位為1 1時，中間繼電器線圈時，中間繼電器線圈J J不帶電；不帶電；D1D1位為位為0 0時，中間繼電器線圈時，中間繼電器線圈J J帶電帶電。因。因J J通斷電瞬間產(chǎn)

16、生很大的自感電動勢，加續(xù)流二極管通斷電瞬間產(chǎn)生很大的自感電動勢，加續(xù)流二極管D D，產(chǎn)生的，產(chǎn)生的自感電流在自感電流在J J和和D D之間消耗掉。中間繼電器線圈帶電后之間消耗掉。中間繼電器線圈帶電后, ,常開觸電閉常開觸電閉合合, ,接通交流繼電器的線圈的接通交流繼電器的線圈的220220伏交流電伏交流電, ,交流繼電器三對常開觸交流繼電器三對常開觸電閉合電閉合, ,將將380380伏交流電接到交流電機伏交流電接到交流電機, ,電機就運轉(zhuǎn)起來了電機就運轉(zhuǎn)起來了, ,電氣控制電氣控制原理圖如圖原理圖如圖1010所示。所示。 接口電路圖接口電路圖 中間繼電器中間繼電器 交流繼電器交流繼電器 交流電

17、機交流電機 圖圖 用并行輸入輸出卡控制用并行輸入輸出卡控制24V繼電器線圈帶電，再通過交流繼電器控制電機繼電器線圈帶電，再通過交流繼電器控制電機 交交流流 電電機機 PE 380伏交流電伏交流電壓壓 KM J KM 計 算 機計 算 機并 行 輸并 行 輸入 輸 出入 輸 出板板150H口的口的D1位位 J 光電 隔離 電路 圖圖 計算機控制交流電機電路原理圖計算機控制交流電機電路原理圖 FU SA 當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，到光照后產(chǎn)生電流，CECE導(dǎo)通；當(dāng)輸入

18、端無信號，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，止，CECE不通。對于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平不通。對于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”0”時，光敏三極管截止，輸出為時，光敏三極管截止，輸出為高電平高電平“1”1”；當(dāng)輸入為高電平；當(dāng)輸入為高電平“1”1”時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ “ 0”0”。 圖1 某系統(tǒng)強電控制柜內(nèi)部實物照片空氣開關(guān)空氣開關(guān)接觸器接觸器熱繼電器熱繼電器繼電器繼電器 電路圖固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器，SSR，是利用電子元件特性，可實現(xiàn)無火花，是利用電子元件特性，可實現(xiàn)無火

19、花地接通和斷開電路，具有控制電流小、無機械噪聲、體積地接通和斷開電路，具有控制電流小、無機械噪聲、體積小、壽命長等優(yōu)點。小、壽命長等優(yōu)點。固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器是一個是一個4端器件。其中兩個輸入端、兩個輸出端端器件。其中兩個輸入端、兩個輸出端，中間采用隔離器件，以實現(xiàn)輸入與輸出之間的電隔離。，中間采用隔離器件，以實現(xiàn)輸入與輸出之間的電隔離。在邏輯控制電路中，可達到在邏輯控制電路中，可達到以弱控制強和弱強隔離以弱控制強和弱強隔離的目的的目的，跟電磁繼電器工作原理基本相似，在，跟電磁繼電器工作原理基本相似，在觸發(fā)信號觸發(fā)信號的的控制下控制下，實現(xiàn)對負載電路通斷切換的開關(guān)作用。，實現(xiàn)對負載電路通斷切換

20、的開關(guān)作用。三、單片機與固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路接口三、單片機與固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路接口 固體繼電器簡稱固體繼電器簡稱SSR，是一種采用固體半導(dǎo)體元件組裝，是一種采用固體半導(dǎo)體元件組裝而成的而成的新穎的無觸點開關(guān)新穎的無觸點開關(guān)。其輸入電流小，用。其輸入電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或加簡單輔助電路就可以直接驅(qū)動，因此，等集成電路或加簡單輔助電路就可以直接驅(qū)動，因此，在單片機測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件，其輸出利用在單片機測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件，其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動，無觸點。晶體管或可控硅驅(qū)動，無觸點。1、固態(tài)繼電器概、固態(tài)繼電器概述述 與與普通繼電器相比普通繼

21、電器相比，SSR體積小，開體積小，開關(guān)速度快，無機械觸點，沒有機械磨損，關(guān)速度快，無機械觸點，沒有機械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒有機械噪聲，耐振不怕有害氣體腐蝕，沒有機械噪聲，耐振動、沖擊，使用壽命長。它在通斷時沒有動、沖擊，使用壽命長。它在通斷時沒有火花和電弧，有利于防爆，干擾小?；鸹ê碗娀?，有利于防爆，干擾小。1）以負載電源類型分為：）以負載電源類型分為：直流直流以功率晶體管作開關(guān)元件輸出；以功率晶體管作開關(guān)元件輸出；交流交流以晶閘管作開關(guān)元件輸出。以晶閘管作開關(guān)元件輸出。2）以輸入輸出之間的隔離形式分為：）以輸入輸出之間的隔離形式分為：光耦合隔離；光耦合隔離； 磁耦合隔離。磁耦合隔離。3

22、）以控制觸發(fā)信號可分為）以控制觸發(fā)信號可分為:過零觸發(fā)、非過零觸發(fā)；過零觸發(fā)、非過零觸發(fā)； 有源觸發(fā)、無源觸發(fā)。有源觸發(fā)、無源觸發(fā)。種類種類3光電隔離固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器 SSR 工作原理: 性能特點:固態(tài)繼電器的主要性能特點1、無機械觸點，電路工作時不產(chǎn)生火花。2、無機械和電磁噪聲，具有 最小的干擾。3、抗干擾能力強。4、驅(qū)動功率小，光電耦合器的驅(qū)動電流只需10mA左右。5、可靠性高，無可動部件，耐潮濕、沖擊。6、承受涌浪電流大，一般可達到額定值的610倍。7、對電源電壓的適應(yīng)能力強。 SSR應(yīng)用: a.單刀雙擲控制電路b.計算機控制單相交流電動機正反轉(zhuǎn)的接口電路隔離放大器的基本原理 隔離放

23、大器由隔離放大器由輸入放大器、信號耦合器件、輸入放大器、信號耦合器件、輸出放大器輸出放大器以及以及隔離電源隔離電源等部分組合。等部分組合。一.組成二.過程 輸入放大器是浮空的，輸入放大器是浮空的， 加到輸入放大器加到輸入放大器(與信與信號源共地號源共地) 放大放大調(diào)制成交流調(diào)制成交流高絕緣性能變壓器高絕緣性能變壓器解調(diào)成直流解調(diào)成直流輸出放大器放大后輸出輸出放大器放大后輸出 輸入放大器和輸出放大器之間有絕緣性能很好輸入放大器和輸出放大器之間有絕緣性能很好的絕緣層隔離的絕緣層隔離(可以是磁，也可以是光可以是磁，也可以是光)，從而，從而保證了共模電壓保證了共模電壓 在輸入回路中產(chǎn)生電流可在輸入回路中產(chǎn)生電流可忽略，從而大大提高了共模抑制比。忽略，從而大大提高了共模抑制比。iVcmVAD202隔離放大器 輸出引出輸出引出4