電路設計與制作（含活頁式實訓工單） 課件 項目3 任務1 數字量輸入電路設計

項目3

隔離輸入輸出電路的設計

項目引入實現輸入和輸出之間的電氣隔離往往是電路設計中需要考慮的因素，電氣隔離通常用于保護電路免受電流干擾和噪聲等外部因素的影響。電路的設計需要考慮電源供電的隔離、輸入輸出信號的隔離、通信線路的隔離等，供電電路的隔離在上一個項目中有所涉及，本項目重點關注輸入輸出信號的隔離。作為本書案例的隔離控制器，其主要功能就在于對目標信號的隔離控制，開關量信號的隔離輸入輸出電路是其電路的重要部分，本項目的實施將完成這部分電路的設計。學習目標知識目標理解隔離輸入輸出電路的定義、作用；熟悉隔離輸入輸出電路設計中常用的隔離技術；掌握隔離輸入輸出電路的布局、連接方式、選型和調試方法。技能目標能夠根據實際需求選擇合適的隔離技術，并設計符合要求的隔離輸入輸出電路；能夠熟練運用儀器設備進行隔離輸入輸出電路的測試、調試和驗證；能夠分析并解決隔離輸入輸出電路中可能出現的問題。素養(yǎng)目標建立安全意識和責任意識，保障用戶和設備的電氣安全；培養(yǎng)學生實驗精神和創(chuàng)新意識，不斷探索新的技術和方法；培養(yǎng)學生遵守職業(yè)道德和法律法規(guī)，確保設計過程和結果的合法合規(guī)性。項目3

隔離輸入輸出電路的設計

任務1數字量輸入電路設計任務描述數字量輸入電路設計是為了將數字信號輸入到電路中。在這個任務中，讀者學習光耦隔離的相關電路知識，并為隔離控制器設計一個電路，將來自數字傳感器或其他數字設備的信號進行隔離和處理，并將其轉換為適合于后續(xù)處理的電平。知識儲備

一、光電耦合器1.光電耦合器簡介光電隔離器（OpticalCoupler，，OC）亦稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以在各種電路中得到廣泛的應用。光電耦合器組裝了發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管），利用光線實現光—電—光的轉換。1.光電耦合器簡介光電耦合器種類很多，圖3-1所示為常用的三極管型光電耦合器內部結構圖，該光電耦合器為4腳封裝的接收型三極管。1.光電耦合器簡介當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而產生光亮，光敏三極管受到光照后產生電流，三極管導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極管無電流通過，無光照產生，光敏三極管截止，三極管CE不通。對于數字量而言，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“0”。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應用廣泛。光電耦合器的優(yōu)點在于其信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，而且無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。2.光電耦合器的抗干擾性光電耦合器能在傳輸信號的同時，有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信噪比大為提高，主要有以下幾方面的原因：（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗往往很大，通常為105～106Ω。因此，即便干擾電壓的幅度較大，但反饋到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成微弱電流，不足以使光耦內部的二極管發(fā)光。2.光電耦合器的抗干擾性（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，且二者之間的分布電容極小，絕緣電阻卻很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現故障，甚至輸入信號線短接時，也不會造成損壞。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。（4）光電耦合器的響應速度極快，其延遲時間只有10s左右，適用于對響應速度要求高的場合。3.部分光電隔離技術的應用（1）計算機接口電路中的光電隔離計算機有多個輸入接口，接收來自遠處現場設備傳來的狀態(tài)信號，計算機處理這些信號后，輸出各種控制信號去執(zhí)行相應的操作。在現場環(huán)境較惡劣時，會存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進入計算機系統(tǒng)，將使控制的準確性降低，產生誤動作。因而，可在計算機的輸入和輸出端，利用光電耦合器對信號及雜訊干擾進行隔離。3.部分光電隔離技術的應用典型的光電耦合電路如圖所示。該電路主要應用在“A／D轉換器”的數字信號輸出、由CPU發(fā)出對端口的控制信號、數字信號的端口輸入等，從而實現不同系統(tǒng)間的信號通路相聯(lián)，同時，各信號在電氣通路上相互隔離，可實現將模擬電路和數字電路相互隔離，起到抑制交叉干擾的作用。3.部分光電隔離技術的應用在計算機控制系統(tǒng)中，開關量的控制應用較多，這些開關量一般經過計算機的I/O輸出，而I/O的驅動能力有限，一般不足以驅動一些電磁執(zhí)行器件，需加接驅動電路。為避免計算機受到干擾，須采取隔離措施。例如，可控硅所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與計算機系統(tǒng)直接相連，可應用光耦合器將計算機控制信號與可控硅觸發(fā)電路進行隔離。3.部分光電隔離技術的應用電路實例如圖所示。在馬達控制電路中，也可利用光耦隔離控制電路與馬達高壓電路。馬達高壓電路靠MOSFET或IGBT功率管提供驅動電流，控制信號和功率管之間需要隔離放大級。在光耦隔離級—放大器級—大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制等特性。3.部分光電隔離技術的應用（3）遠距離的隔離傳送。在計算機應用系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測控設備之間不可避免地要進行長距離傳輸，信號在傳輸過程中很容易受到干擾，導致傳輸信號發(fā)生畸變或失真。另外，相距較遠的設備通過長電纜連接，常因設備間的地線電位差，導致出現對地環(huán)路電流，對電路形成干擾。為確保長距離傳輸的可靠性，可采用光電耦合隔離，將2個電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環(huán)路，使其相互獨立，提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能。若傳輸線較長，現場干擾嚴重，可通過兩級光電耦合器將長線完全“浮置”起來，如圖3-4所示。3.部分光電隔離技術的應用從圖3-4可以看出，長線的“浮置”去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經公共地線時所產生的雜訊電壓，避免形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配的問題。同時，若受控設備短路時，還能保護系統(tǒng)不受損害。課堂思考如將光耦隔離應用于通信，與其他通信技術相比有什么優(yōu)缺點？在什么情況下通信中可以使用光耦隔離技術？4.注意事項（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當用光電耦合隔離輸入輸出通道時，必須隔離所有的信號（包括數字量信號、控制量信號、狀態(tài)信號），使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則達不到隔離效果。二、光耦的規(guī)格參數在隔離控制器的電路中，采用了EL357N光耦做隔離，其規(guī)格書如圖3-5所示。從規(guī)格書封面中可以查看光耦性能簡介等重要信息。其中包括該光耦的簡要介紹、用途的示例說明，對光耦的4個引腳也進行了標識。但更詳細的規(guī)格參數仍然需要參看規(guī)格書內頁。二、光耦的規(guī)格參數規(guī)格書中也包含了絕對最大額定值表，幫助用戶確定光耦的應用條件，見表3-1。輸入輸出的最大額定參數可以結合光耦示意圖中二極管和三極管的結構來理解。二、光耦的規(guī)格參數除此以外，規(guī)格書中也包含了光耦的電氣參數表，供設計電路時參考，見表3-2。表3-2電氣參數表二、光耦的規(guī)格參數為了提供更詳細的信息，以便設計，規(guī)格書給出了實驗室中指定條件下測得的電氣參數的電路圖。供測試用的示例電路如圖3-6,機械尺寸如圖3-7。三、隔離輸入電路使用光耦作為輸入電路的隔離器件，配合隔離電源的使用，可以讓輸入端與控制系統(tǒng)完全隔離，這樣外部輸入信號就不會影響控制系統(tǒng)的工作。其參考電路如圖3-8所示。三、隔離輸入電路電路中與光耦配合的電阻可以按如下方式簡略計算：從手冊中我們查到，EL357N的輸入二極管壓降是1.2V，電流傳輸比取50%，原邊是12V，副邊是3.3V，算一下限流電阻和上拉電阻的大小。三、隔離輸入電路二極管工作不能超過50mA，實際電流取20mA。R2=（12-1.2）/0.02=540Ω

（3-1）這里取R2電阻值為510Ω，那么，IF=（12-1.2）/510=21.2mA（3-2）IC=21.2*0.5=10.6mA（3-3）R1=（3.3-Vce）/0.0106=