基于Multisim光耦隔離放大電路課程設(shè)計(jì)

1、沈 陽 工 程 學(xué) 院課 程 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目： 隔離放大電路 系 別 自動(dòng)控制工程系 班級 測控本091 學(xué)生姓名 莊國慶 學(xué)號 指導(dǎo)教師 黃碩 職稱 講師 起止日期：2011年 5月 9日起至 2011年 5月 13日止沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)題目： 光耦隔離放大電路 系 別 自控系 班級 測控本091 學(xué)生姓名 莊國慶 學(xué)號 指導(dǎo)教師 黃碩 職稱 講師 課程設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn)： 任 務(wù) 下 達(dá) 時(shí) 間： 2011年 5 月 9 日 起止日期：2011年 5月 9 日起至 2011年 5 月 13日止 教研室主任 2011 年 月 日批準(zhǔn)隔離放大電路的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1.1 設(shè)

2、計(jì)目的：（1）掌握隔離放大電路的構(gòu)成，原理與設(shè)計(jì)方法；（2）熟悉模擬元件的選擇，使用方法。1.2基本要求：（1）輸入信號為方波，幅度1V，頻率100Hz40kHz；（2）采用適當(dāng)?shù)母綦x設(shè)備不影響信號提供者;（3）輸出信號上升及下降時(shí)間占有方波周期的5%以下；（4）輸出信號幅度不低于3V。1.3發(fā)揮部分：（1）tpd100s；（2）幅度分段可調(diào)；（3）其他。2 設(shè)計(jì)過程及論文的基本要求：2.1 設(shè)計(jì)過程的基本要求（1）基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選2個(gè)方向：（2）符合設(shè)計(jì)要求的報(bào)告一份，其中包括邏輯電路圖、實(shí)際接線圖各一份；（3）設(shè)計(jì)過程的資料、草稿要求保留并隨設(shè)計(jì)報(bào)告一起上交；報(bào)告的電子檔需

3、全班統(tǒng)一存盤上交。2.2 課程設(shè)計(jì)論文的基本要求（1）參照畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印，文字中的小圖需打印。項(xiàng)目齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為A3，附錄中的大圖可以手繪，所有插圖不允許復(fù)印。（2）裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及參數(shù)計(jì)算（重要）、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄（邏輯電路圖與實(shí)際接線圖）。3 時(shí)間進(jìn)度安排順序階段日期計(jì) 劃 完 成 內(nèi) 容備注12010.5.24講解主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書做出原始框圖打分22010.5.25檢查框圖及初步原理圖完成情況，

4、講解及糾正錯(cuò)誤打分32010.5.26檢查邏輯圖并指出錯(cuò)誤及糾正；講解接線圖繪制及報(bào)告書寫打分42010.5.27繼續(xù)修正邏輯圖，指導(dǎo)接線圖繪制方法，布置答辯打分52010.5.28答辯、寫報(bào)告打分沈 陽 工 程 學(xué) 院模擬電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)成績評定表系（部）：自控系 班級：測控本091 學(xué)生姓名： 莊國慶 指 導(dǎo) 教 師 評 審 意 見評價(jià)內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分調(diào)研論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn),收集資料；能制定課程設(shè)計(jì)方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律，出勤情況是否良好，能夠獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作， 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)，工作量飽滿，難度適

5、宜。0.25432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導(dǎo)教師評審成績（加權(quán)分合計(jì)乘以12） 分加權(quán)分合計(jì)指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 年 月 日評 閱 教 師 評 審 意 見評價(jià)內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分查閱文獻(xiàn)查閱文獻(xiàn)有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.35432評閱教師評審成績（加權(quán)分合計(jì)乘以8）分加權(quán)分合計(jì)評

6、閱 教 師 簽 名： 年 月 日課 程 設(shè) 計(jì) 總 評 成 績分中 文 摘 要 本文主要通過光耦隔離放大電路，對光電耦合器4N25及放大電路和電壓跟隨器中的放大器件TL084的特性進(jìn)行簡要描述和分析。 光耦隔離放大電路主要由電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路 光電耦合器和電壓跟隨器三部分組成。其中光電耦合器是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。光耦的工作原理包括：光的發(fā)射、光的接收及信號放大三個(gè)環(huán)節(jié)。輸入的電信號驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，

7、因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比，光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。在放大電路中采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，對輸入的信號進(jìn)行比例放大輸出，并且由于采用負(fù)反饋，這樣就可以使電路具有較好的恒壓輸出特性。在整個(gè)電路的輸出端與電壓更隨器連接，以進(jìn)一

8、步使電路達(dá)到良好穩(wěn)壓輸出效果。關(guān)鍵詞 隔離放大器 光耦 電壓放大電路 電壓跟隨器 目 錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書II隔離放大電路的設(shè)計(jì)III模擬電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)成績評定表IV中 文 摘 要V目 錄11.設(shè)計(jì)任務(wù)描述21.1 設(shè)計(jì)題目:21.2 設(shè)計(jì)要求：21.2.1 設(shè)計(jì)目的：21.2.2 基本要求：21.2.3發(fā)揮部分：22.設(shè)計(jì)思路33.基本框架44.模塊細(xì)節(jié)及各部分電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算54.1方波信號輸入542電源提供電流進(jìn)入光耦圖64.2.1 光偶的一些參數(shù)64.2.2分析94.2.3放大電路的選擇及計(jì)算94.2.4 光耦簡圖114.2.5 CTR的計(jì)算114.3 的計(jì)算114.4 電壓跟隨器的

9、設(shè)計(jì)圖124.5 方波仿真信號輸出124.6.注意的問題135.電路元件清單146.主要元器件介紹156.1光耦數(shù)據(jù)單156.2 TLO84的數(shù)據(jù)單177.小結(jié)198.參考文獻(xiàn)219.附錄22 1.設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1 設(shè)計(jì)題目:1.2 設(shè)計(jì)要求：1.2.1 設(shè)計(jì)目的：（1）掌握隔離放大電路的構(gòu)成，原理與設(shè)計(jì)方法；（2）熟悉模擬元件的選擇，使用方法。1.2.2 基本要求：（1）輸入信號為方波，幅度1V，頻率100Hz40kHz；（2）采用適當(dāng)?shù)母綦x設(shè)備不影響信號提供者;（3）輸出信號上升及下降時(shí)間占有方波周期的5%以下；（4）輸出信號幅度不低于3V。1.2.3發(fā)揮部分：（1）tpd100s；（2

10、）幅度分段可調(diào)；（3）其他。2.設(shè)計(jì)思路 光耦合器（optical coupler， 英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入和輸出隔離的作用。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離；輸出信號對輸入端無影響，抗

11、干擾能力強(qiáng)；由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力；另外，它還有工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。而我的電路圖設(shè)計(jì)步驟：（1）確定目標(biāo)：設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由哪些模塊組成及明確他們的各自功能，通過各個(gè)模塊之間的信號傳輸，實(shí)現(xiàn)信號的比例放大、光-電-光轉(zhuǎn)化以及電壓跟隨等目的。并畫出線性直流穩(wěn)壓電源方框圖。（2）系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。（3）功能分析：分析各模塊在此部分所起到的作用。（4）參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)。（5） 總電路圖：連接各模塊電路，整體分析?；驹O(shè)計(jì)思路為：1 利用放大電路提供光耦所需

12、的電流2 通過光耦對輸入信號進(jìn)行隔離放大3 通過電壓跟隨器，使輸出信號穩(wěn)定3.基本框架光耦隔離方波信號輸入方波信號的放大 方波信號輸出電壓跟隨器 基本原理：1. 通過電壓提供電流，利用放大器改變電流的大小，從而使輸入電流在所選光耦的線性區(qū)，使光耦起到隔離放大的作用。2. 在光電耦合器輸入端加的電流信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。 3. 在電路中加入電壓跟隨器使其在電路中不至于消耗電壓。4.模塊細(xì)節(jié)及各部分電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算4.1方波信號輸入輸入信號仿真圖42電源提供電流

13、進(jìn)入光耦圖 圖4.2.14.2.1 光偶的一些參數(shù)Maximum Ratings T =25CAEmitterReverse Voltage.6.0 VForward Current .60 mASurge Current (t10 s).2.5 APower Dissipation.100 mWDetectorCollector-Emitter Breakdown Voltage.70 VEmitter-Base Breakdown Voltage.7.0 VCollector Current.50 mACollector Current(t 1.0 ms).100 mAPower Diss

14、ipation.150 mWPackageIsolation Test Voltage.5300 VRMSCreepage. 7.0 mmClearance . 7.0 mmIsolation Thickness between Emitter and Detector. 0.4 mmComparative Tracking Index per DIN IEC 112/VDE0303, part 1. 175Isolation Resistance12V=500 V, T =25C.10 ?IO A11V =500 V, T =100C. 10 ?IO AStorage Temperature

15、.55C to +150COperating Temperature.55C to +100CJunction Temperature. 100CSoldering Temperature (max. 10 s, dip soldering:distance to seating plane 1.5 mm). 260C4.2.2分析1.由上面的數(shù)據(jù)單可知，發(fā)光二極管的工作區(qū)域的電流為為了使其工作在最佳狀態(tài)只有加一個(gè)放大器。2.由圖可知當(dāng)時(shí)左右，這里我設(shè)置一個(gè)50的保護(hù)電阻，由此可推出放大后的電壓為，所以放大器的放大倍數(shù)為四倍。4.2.3放大電路的選擇及計(jì)算1.放大電路我們根據(jù)已學(xué)的知識，優(yōu)先考

16、慮集成運(yùn)算放大器且講其設(shè)置成同相放大器。2. 同相比例放大電路圖：小信號電路模型圖中輸出通過負(fù)反饋的作用，使vn自動(dòng)地跟蹤vp， 即vpvn，或vidvpvn0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。由于運(yùn)放的輸入電阻ri很大，所以，運(yùn)放兩輸入端之間的 ip-in (vpvn) / ri 0，這種現(xiàn)象稱為虛斷。根據(jù)虛短和虛斷的概念有vpvn， ip-in0 3.根據(jù)虛短，續(xù)斷的概念有，由上面的分析有=4所以，這樣我將 4.2.4 光耦簡圖4N25 4.2.5.測得的IC與IF如圖所示 4.2.5 CTR的計(jì)算4.3 的計(jì)算由于我的目的是要得到3V的方波，由于我用萬用表測得的電流為有效值，而在此有峰值

17、=2*有效值4.4 電壓跟隨器的設(shè)計(jì)圖4.5 方波仿真信號輸出4.6.注意的問題步驟如下：1. 電路中所有+Vcc均為+12V，-Vcc均為-12V，GND為地。對單個(gè)放大器而言，在調(diào)試時(shí)，盡量讓輸出電壓在12V以下。 2. 光電耦合器的輸入電流應(yīng)在210mA為宜(這是光電耦合器的線性區(qū)，電流太大或太小都會偏離線性區(qū))。3. 發(fā)光二極管邊和三極管邊需要用兩個(gè)不同的接地，以避免不必要的干擾。 5.電路元件清單元件名稱型號規(guī)格數(shù)量電阻30K1電阻10K1電阻502光耦4N251放大器TL084ID2直流電源VSS1直流電源VDD1地1地1導(dǎo)線若干6.主要元器件介紹6.1光耦數(shù)據(jù)單6.2 TLO84

18、的數(shù)據(jù)單TL084Iq per channel(Max)(mA)2.8 VIO (25 deg C)(Max)(mV)15 CMRR(Min)(dB)70 Vn at 1kHz(Typ)(nV/rtHz)18 IIB(Max)(pA)400 Slew Rate(Min)(V/us)8 Slew Rate(Typ)(V/us)13 GBW(Typ)(MHz)3 Specd at Vs(V)+/-15 VIO (Full Range)(Max)(mV)20 Vs(Min)(V)7 Vs(Max)(V)36 Pin/Package14PDIP, 14SO, 14SOIC, 14TSSOP Vio(M

19、ax)(mV)20 Supply Voltage 5(V)No Open Loop Gain(Min)(dB)88 Offset Drift(Typ)(uV/C)18 IQ Per Amp (+/-)(Max)(mA)2.8 Offset Voltage (+/-)(Max)(mV)20 Number of Channels4 Approx. Price (US$)0.20 | 1ku Operating Temperature Range(C)-40 to 125,-40 to 85,0 to 70 Total Supply Voltage (V)(Min)(+5V=5, +/-5V=10)

20、7 Total Supply Voltage (V)(Max)(+5V=5, +/-5V=10)36 TL084放大器的原理圖7.小結(jié)通過這次對光耦隔離放大電路的設(shè)計(jì)和分析，使我們深刻認(rèn)識到了電子世界的神奇和自己知識的缺乏，也使我們更加清醒的認(rèn)識了自己的不足，同時(shí)強(qiáng)烈的刺激了我們對進(jìn)一步學(xué)習(xí)電子知識興趣和好奇心。在電路設(shè)計(jì)的過程中，我們由起初的無從下手，漸漸的認(rèn)識到各種器件的參數(shù)和工作原理，再通過進(jìn)一步整合形成一個(gè)電路的基本框架，又經(jīng)過更一步的參數(shù)分析和設(shè)定和仿真，使電路基本達(dá)到課程要求。我們組有4名成員，在開始每個(gè)人都被分配了具體的任務(wù)，比如對放大器和光耦資料的搜集包括參數(shù)、原理以及使用環(huán)境

21、，對器件的刪選和留用，還有電路設(shè)計(jì)中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和電路的仿真等等。在設(shè)計(jì)我們相互獨(dú)立而又密切配合，并且得到了老師的關(guān)鍵性建議，使我們很快明確了我們每一步的設(shè)計(jì)目的和具體思路。我們決定將電路模塊化，以減少工作復(fù)雜性和增大每個(gè)模塊的可操作性，這是我們工作中的一個(gè)不可不說的亮點(diǎn)。我們根據(jù)之前查閱的資料，根據(jù)每個(gè)模塊的特性和功能，配以不同參數(shù)的器件，使每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，通過輸入設(shè)計(jì)要求的參數(shù)，使每個(gè)模塊輸出我們想要的結(jié)果，結(jié)果在各模塊中一級級傳遞和變化，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這次課程設(shè)計(jì)使我們學(xué)到了我們在書本中永遠(yuǎn)學(xué)不到的知識，使我們可以更加清晰認(rèn)識到自己動(dòng)手的重要性。如果沒有這次課程設(shè)計(jì)，我們可能永遠(yuǎn)迷信在自己的“理所當(dāng)然”里，不會去發(fā)現(xiàn)我們平時(shí)忽略的細(xì)節(jié)和在思想里已經(jīng)根深蒂固的錯(cuò)誤。這是一次對電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也是對自己思想的檢驗(yàn)和錯(cuò)誤的更正，使我們避免以后更大更深的錯(cuò)誤，讓我們學(xué)會用實(shí)踐去驗(yàn)證真理和用實(shí)踐得來的結(jié)論去幫助解決我們書本中難題。雖然這次課程設(shè)計(jì)只有一周，但其中我們卻覺得每一天都那么的充實(shí)，每一天都會有不同的知識充實(shí)著我們的大腦，使我們迫切希望去發(fā)現(xiàn)問題，去解決問題。我們收獲著知