基于Multisim光耦隔离放大电路课程设计

1、沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 隔离放大电路 系 别 自动控制工程系 班级 测控本091 学生姓名 庄国庆 学号 指导教师 黄硕 职称 讲师 起止日期：2011年 5月 9日起至 2011年 5月 13日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 光耦隔离放大电路 系 别 自控系 班级 测控本091 学生姓名 庄国庆 学号 指导教师 黄硕 职称 讲师 课程设计进行地点： 任 务 下 达 时 间： 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 日批准隔离放大电路的设计1 设计主要内容及要求1.1 设

2、计目的：（1）掌握隔离放大电路的构成，原理与设计方法；（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法。1.2基本要求：（1）输入信号为方波，幅度1V，频率100Hz40kHz；（2）采用适当的隔离设备不影响信号提供者;（3）输出信号上升及下降时间占有方波周期的5%以下；（4）输出信号幅度不低于3V。1.3发挥部分：（1）tpd100s；（2）幅度分段可调；（3）其他。2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向：（2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图、实际接线图各一份；（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需

3、全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，文字中的小图需打印。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A3，附录中的大图可以手绘，所有插图不允许复印。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算（重要）、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（逻辑电路图与实际接线图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12010.5.24讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图打分22010.5.25检查框图及初步原理图完成情况，

4、讲解及纠正错误打分32010.5.26检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解接线图绘制及报告书写打分42010.5.27继续修正逻辑图，指导接线图绘制方法，布置答辩打分52010.5.28答辩、写报告打分沈 阳 工 程 学 院模拟电子技术 课程设计成绩评定表系（部）：自控系 班级：测控本091 学生姓名： 庄国庆 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适

5、宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评

6、阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中 文 摘 要 本文主要通过光耦隔离放大电路，对光电耦合器4N25及放大电路和电压跟随器中的放大器件TL084的特性进行简要描述和分析。 光耦隔离放大电路主要由电压串联负反馈放大电路 光电耦合器和电压跟随器三部分组成。其中光电耦合器是本次设计的关键。光耦的工作原理包括：光的发射、光的接收及信号放大三个环节。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，

7、因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比，光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。在放大电路中采用电压串联负反馈电路，对输入的信号进行比例放大输出，并且由于采用负反馈，这样就可以使电路具有较好的恒压输出特性。在整个电路的输出端与电压更随器连接，以进一

8、步使电路达到良好稳压输出效果。关键词 隔离放大器 光耦 电压放大电路 电压跟随器 目 录课程设计任务书II隔离放大电路的设计III模拟电子技术 课程设计成绩评定表IV中 文 摘 要V目 录11.设计任务描述21.1 设计题目:21.2 设计要求：21.2.1 设计目的：21.2.2 基本要求：21.2.3发挥部分：22.设计思路33.基本框架44.模块细节及各部分电路设计及参数计算54.1方波信号输入542电源提供电流进入光耦图64.2.1 光偶的一些参数64.2.2分析94.2.3放大电路的选择及计算94.2.4 光耦简图114.2.5 CTR的计算114.3 的计算114.4 电压跟随器的

9、设计图124.5 方波仿真信号输出124.6.注意的问题135.电路元件清单146.主要元器件介绍156.1光耦数据单156.2 TLO84的数据单177.小结198.参考文献219.附录22 1.设计任务描述1.1 设计题目:1.2 设计要求：1.2.1 设计目的：（1）掌握隔离放大电路的构成，原理与设计方法；（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法。1.2.2 基本要求：（1）输入信号为方波，幅度1V，频率100Hz40kHz；（2）采用适当的隔离设备不影响信号提供者;（3）输出信号上升及下降时间占有方波周期的5%以下；（4）输出信号幅度不低于3V。1.2.3发挥部分：（1）tpd100s；（2

10、）幅度分段可调；（3）其他。2.设计思路 光耦合器（optical coupler， 英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入和输出隔离的作用。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离；输出信号对输入端无影响，抗

11、干扰能力强；由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力；另外，它还有工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高等优点。而我的电路图设计步骤：（1）确定目标：设计整个系统是由哪些模块组成及明确他们的各自功能，通过各个模块之间的信号传输，实现信号的比例放大、光-电-光转化以及电压跟随等目的。并画出线性直流稳压电源方框图。（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。（3）功能分析：分析各模块在此部分所起到的作用。（4）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。（5） 总电路图：连接各模块电路，整体分析。基本设计思路为：1 利用放大电路提供光耦所需

12、的电流2 通过光耦对输入信号进行隔离放大3 通过电压跟随器，使输出信号稳定3.基本框架光耦隔离方波信号输入方波信号的放大 方波信号输出电压跟随器 基本原理：1. 通过电压提供电流，利用放大器改变电流的大小，从而使输入电流在所选光耦的线性区，使光耦起到隔离放大的作用。2. 在光电耦合器输入端加的电流信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 3. 在电路中加入电压跟随器使其在电路中不至于消耗电压。4.模块细节及各部分电路设计及参数计算4.1方波信号输入输入信号仿真图42电源提供电流

13、进入光耦图 图4.2.14.2.1 光偶的一些参数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.由上面的数据单可知，发光二极管的工作区域的电流为为了使其工作在最佳状态只有加一个放大器。2.由图可知当时左右，这里我设置一个50的保护电阻，由此可推出放大后的电压为，所以放大器的放大倍数为四倍。4.2.3放大电路的选择及计算1.放大电路我们根据已学的知识，优先考

16、虑集成运算放大器且讲其设置成同相放大器。2. 同相比例放大电路图：小信号电路模型图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp， 即vpvn，或vidvpvn0。这种现象称为虚假短路，简称虚短。由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的 ip-in (vpvn) / ri 0，这种现象称为虚断。根据虚短和虚断的概念有vpvn， ip-in0 3.根据虚短，续断的概念有，由上面的分析有=4所以，这样我将 4.2.4 光耦简图4N25 4.2.5.测得的IC与IF如图所示 4.2.5 CTR的计算4.3 的计算由于我的目的是要得到3V的方波，由于我用万用表测得的电流为有效值，而在此有峰值

17、=2*有效值4.4 电压跟随器的设计图4.5 方波仿真信号输出4.6.注意的问题步骤如下：1. 电路中所有+Vcc均为+12V，-Vcc均为-12V，GND为地。对单个放大器而言，在调试时，尽量让输出电压在12V以下。 2. 光电耦合器的输入电流应在210mA为宜(这是光电耦合器的线性区，电流太大或太小都会偏离线性区)。3. 发光二极管边和三极管边需要用两个不同的接地，以避免不必要的干扰。 5.电路元件清单元件名称型号规格数量电阻30K1电阻10K1电阻502光耦4N251放大器TL084ID2直流电源VSS1直流电源VDD1地1地1导线若干6.主要元器件介绍6.1光耦数据单6.2 TLO84

18、的数据单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放大器的原理图7.小结通过这次对光耦隔离放大电路的设计和分析，使我们深刻认识到了电子世界的神奇和自己知识的缺乏，也使我们更加清醒的认识了自己的不足，同时强烈的刺激了我们对进一步学习电子知识兴趣和好奇心。在电路设计的过程中，我们由起初的无从下手，渐渐的认识到各种器件的参数和工作原理，再通过进一步整合形成一个电路的基本框架，又经过更一步的参数分析和设定和仿真，使电路基本达到课程要求。我们组有4名成员，在开始每个人都被分配了具体的任务，比如对放大器和光耦资料的搜集包括参数、原理以及使用环境

21、，对器件的删选和留用，还有电路设计中相关参数的设定和电路的仿真等等。在设计我们相互独立而又密切配合，并且得到了老师的关键性建议，使我们很快明确了我们每一步的设计目的和具体思路。我们决定将电路模块化，以减少工作复杂性和增大每个模块的可操作性，这是我们工作中的一个不可不说的亮点。我们根据之前查阅的资料，根据每个模块的特性和功能，配以不同参数的器件，使每个模块实现预期的功能，通过输入设计要求的参数，使每个模块输出我们想要的结果，结果在各模块中一级级传递和变化，最终达到设计要求。这次课程设计使我们学到了我们在书本中永远学不到的知识，使我们可以更加清晰认识到自己动手的重要性。如果没有这次课程设计，我们可能永远迷信在自己的“理所当然”里，不会去发现我们平时忽略的细节和在思想里已经根深蒂固的错误。这是一次对电路的设计，同时也是对自己思想的检验和错误的更正，使我们避免以后更大更深的错误，让我们学会用实践去验证真理和用实践得来的结论去帮助解决我们书本中难题。虽然这次课程设计只有一周，但其中我们却觉得每一天都那么的充实，每一天都会有不同的知识充实着我们的大脑，使我们迫切希望去发现问题，去解决问题。我们收获着知