電路設(shè)計(jì)與制作（含活頁式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項(xiàng)目3 任務(wù)1 數(shù)字量輸入電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目3

隔離輸入輸出電路的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目引入實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離往往是電路設(shè)計(jì)中需要考慮的因素，電氣隔離通常用于保護(hù)電路免受電流干擾和噪聲等外部因素的影響。電路的設(shè)計(jì)需要考慮電源供電的隔離、輸入輸出信號(hào)的隔離、通信線路的隔離等，供電電路的隔離在上一個(gè)項(xiàng)目中有所涉及，本項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注輸入輸出信號(hào)的隔離。作為本書案例的隔離控制器，其主要功能就在于對(duì)目標(biāo)信號(hào)的隔離控制，開關(guān)量信號(hào)的隔離輸入輸出電路是其電路的重要部分，本項(xiàng)目的實(shí)施將完成這部分電路的設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)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(shè)計(jì)中常用的隔離技術(shù)；掌握隔離輸入輸出電路的布局、連接方式、選型和調(diào)試方法。技能目標(biāo)能夠根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的隔離技術(shù)，并設(shè)計(jì)符合要求的隔離輸入輸出電路；能夠熟練運(yùn)用儀器設(shè)備進(jìn)行隔離輸入輸出電路的測試、調(diào)試和驗(yàn)證；能夠分析并解決隔離輸入輸出電路中可能出現(xiàn)的問題。素養(yǎng)目標(biāo)建立安全意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，保障用戶和設(shè)備的電氣安全；培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)精神和創(chuàng)新意識(shí)，不斷探索新的技術(shù)和方法；培養(yǎng)學(xué)生遵守職業(yè)道德和法律法規(guī)，確保設(shè)計(jì)過程和結(jié)果的合法合規(guī)性。項(xiàng)目3

隔離輸入輸出電路的設(shè)計(jì)

任務(wù)1數(shù)字量輸入電路設(shè)計(jì)任務(wù)描述數(shù)字量輸入電路設(shè)計(jì)是為了將數(shù)字信號(hào)輸入到電路中。在這個(gè)任務(wù)中，讀者學(xué)習(xí)光耦隔離的相關(guān)電路知識(shí)，并為隔離控制器設(shè)計(jì)一個(gè)電路，將來自數(shù)字傳感器或其他數(shù)字設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行隔離和處理，并將其轉(zhuǎn)換為適合于后續(xù)處理的電平。知識(shí)儲(chǔ)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(hào)，對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以在各種電路中得到廣泛的應(yīng)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(shí)現(xiàn)光—電—光的轉(zhuǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過電流而產(chǎn)生光亮，光敏三極管受到光照后產(chǎn)生電流，三極管導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號(hào)，發(fā)光二極管無電流通過，無光照產(chǎn)生，光敏三極管截止，三極管CE不通。對(duì)于數(shù)字量而言，當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“0”。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)在于其信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，而且無觸點(diǎn)，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(hào)的同時(shí)，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(huì)很小，只能形成微弱電流，不足以使光耦內(nèi)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(hào)的產(chǎn)生。（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)造成損壞。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。（4）光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其延遲時(shí)間只有10s左右，適用于對(duì)響應(yīng)速度要求高的場合。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用（1）計(jì)算機(jī)接口電路中的光電隔離計(jì)算機(jī)有多個(gè)輸入接口，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場設(shè)備傳來的狀態(tài)信號(hào)，計(jì)算機(jī)處理這些信號(hào)后，輸出各種控制信號(hào)去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣時(shí)，會(huì)存在較大的雜訊干擾，若這些干擾隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將使控制的準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。因而，可在計(jì)算機(jī)的輸入和輸出端，利用光電耦合器對(duì)信號(hào)及雜訊干擾進(jìn)行隔離。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用典型的光電耦合電路如圖所示。該電路主要應(yīng)用在“A／D轉(zhuǎn)換器”的數(shù)字信號(hào)輸出、由CPU發(fā)出對(duì)端口的控制信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的端口輸入等，從而實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信號(hào)通路相聯(lián)，同時(shí)，各信號(hào)在電氣通路上相互隔離，可實(shí)現(xiàn)將模擬電路和數(shù)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(shù)的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，開關(guān)量的控制應(yīng)用較多，這些開關(guān)量一般經(jīng)過計(jì)算機(jī)的I/O輸出，而I/O的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些電磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)電路。為避免計(jì)算機(jī)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(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將計(jì)算機(jī)控制信號(hào)與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。3.部分光電隔離技術(shù)的應(yīng)用電路實(shí)例如圖所示。在馬達(dá)控制電路中，也可利用光耦隔離控制電路與馬達(dá)高壓電路。馬達(dá)高壓電路靠MOSFET或IGBT功率管提供驅(qū)動(dòng)電流，控制信號(hào)和功率管之間需要隔離放大級(jí)。在光耦隔離級(jí)—放大器級(jí)—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(shù)的應(yīng)用（3）遠(yuǎn)距離的隔離傳送。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測控設(shè)備之間不可避免地要進(jìn)行長距離傳輸，信號(hào)在傳輸過程中很容易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號(hào)發(fā)生畸變或失真。另外，相距較遠(yuǎn)的設(shè)備通過長電纜連接，常因設(shè)備間的地線電位差，導(dǎo)致出現(xiàn)對(duì)地環(huán)路電流，對(duì)電路形成干擾。為確保長距離傳輸?shù)目煽啃?，可采用光電耦合隔離，將2個(gè)電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環(huán)路，使其相互獨(dú)立，提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能。若傳輸線較長，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，可通過兩級(jí)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(shù)的應(yīng)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(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)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(qū)動(dòng)和阻抗匹配的問題。同時(shí)，若受控設(shè)備短路時(shí)，還能保護(hù)系統(tǒng)不受損害。課堂思考如將光耦隔離應(yīng)用于通信，與其他通信技術(shù)相比有什么優(yōu)缺點(diǎn)？在什么情況下通信中可以使用光耦隔離技術(shù)？4.注意事項(xiàng)（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當(dāng)用光電耦合隔離輸入輸出通道時(shí)，必須隔離所有的信號(hào)（包括數(shù)字量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)），使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則達(dá)不到隔離效果。二、光耦的規(guī)格參數(shù)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(duì)光耦的4個(gè)引腳也進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。但更詳細(xì)的規(guī)格參數(shù)仍然需要參看規(guī)格書內(nèi)頁。二、光耦的規(guī)格參數(shù)規(guī)格書中也包含了絕對(duì)最大額定值表，幫助用戶確定光耦的應(yīng)用條件，見表3-1。輸入輸出的最大額定參數(shù)可以結(jié)合光耦示意圖中二極管和三極管的結(jié)構(gòu)來理解。二、光耦的規(guī)格參數(shù)除此以外，規(guī)格書中也包含了光耦的電氣參數(shù)表，供設(shè)計(jì)電路時(shí)參考，見表3-2。表3-2電氣參數(shù)表二、光耦的規(guī)格參數(shù)為了提供更詳細(xì)的信息，以便設(shè)計(jì)，規(guī)格書給出了實(shí)驗(yàn)室中指定條件下測得的電氣參數(shù)的電路圖。供測試用的示例電路如圖3-6,機(jī)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(hào)就不會(huì)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(jì)算：從手冊(cè)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(shí)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=