王岚机电接口技术第三章信号隔离电路

1、第3章 信号隔离电路主讲教师：图 模拟量的输入/输出通道结构图信号传感器信号变送器信号处理环节多路转换开关采样保持电路A/D转换器现场信号输入信息微型计算机工业现场执行部件驱动放大低通滤波器D/A转换器输入输出接口信息锁存器输出信息控制信号 1. 模拟量的输入通道模拟量的输入通道 典型的模拟量输入通道由以下几部分组成。 1) 传感器 传感器是用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量(电流、电压)的器件。例如，热电偶能够将温度这个物理量转换成几毫伏或几十毫伏的电压信号，所以可用它作为温度传感器；而压力传感器可以把物理量压力的变化转换为电信号，等等。 2) 变送器 一般来讲，传感器输出的电信号

2、都比较微弱，有些传感器的输出甚至是电阻值、电容值等非电量。为了易于与信号处理环节衔接，就需要将这些微弱电信号及电阻值等非电量转换成一种统一的电信号，变送器就是实现这一功能的器件。它将传感器的输出信号转换成010 mA或420 mA的统一电流信号或者05 V的电压信号。 3) 信号处理环节 信号处理环节主要包括信号的放大及干扰信号的去除。它将变送器输出的信号进行放大或处理成与A/D(Analog to Digital)转换器所要求的输入相适应的电平。另外，传感器通常都安装在现场，环境比较恶劣，其输出常叠加有高频干扰信号。因此，信号处理环节通常是低通滤波电路，如RC滤波器或由运算放大器构成的有源滤

3、波电路等。 4) 多路转换开关 在生产过程中，要监测或控制的模拟量往往不止一个，尤其是数据采集系统中，需要采集的模拟量一般比较多，而且不少模拟量是缓慢变化的信号。对这类模拟信号的采集，可采用多路模拟开关，使多个模拟信号共用一个A/D转换器进行采样和转换，以降低成本。 5) 采样保持电路 在数据采样期间，保持输入信号不变的电路称为采样保持电路。由于输入模拟信号是连续变化的，而A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，这段时间称为转换时间。不同的A/D转换芯片，其转换时间不同。对于变化较快的模拟输入信号，如果不在转换期间保持输入信号不变，就可能引起转换误差。A/D转换芯片的转换时间越长，对同样频率模

4、拟信号的转换精度的影响就越大。所以，在A/D转换器前面要增加一级采样保持电路，以保证在转换过程中，输入信号保持在其采样期间的值不变。 6) 模数转换器A/D 这是模拟量输入通道的中心环节，它的作用是将输入的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号，以便计算机进行分析和处理。 3.1信号隔离概述 在各种工业过程的测量和控制系统中，干扰是一个不容忽视的因素。信号隔离是抵抗外界干扰的一个必要而有效的手段，它可以实现两个功能：1、隔离外界的共模电压2、隔离从外界串引进来的电磁干扰信号隔离的意义 信号隔离器在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱

5、到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等，构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作。 信号隔离的原理 信号隔离的目的： 在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场保持信号联系，而不直接发生电的联系。 隔离的实质： 把引入干扰的通道切断，从而到达隔离现场干扰的目的。 常见的隔离方式： 光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、隔离放大器等。 信号隔离的分类：模拟量和数字量。 3.2 开关量的隔离方法开关量的隔离方法1、光电耦合器、光电耦合器 光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起

6、，光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光线实现耦合，构成通过光线实现耦合，构成的转换器件。的转换器件。将将电信号送入光电耦合器输入端的发光器件时，发光器电信号送入光电耦合器输入端的发光器件时，发光器件将电信号转换成光信号，光信号经光接收器接收，件将电信号转换成光信号，光信号经光接收器接收，并将其还原成电信号。由于其输入与输出之间没有直并将其还原成电信号。由于其输入与输出之间没有直接的电气联系，信号输出是通过光耦合的，所以也称接的电气联系，信号输出是通过光耦合的，所以也称为光电隔离器。为光电隔离器。光电耦合器的一次侧光电耦合器的一次侧（输入端输入端）一般一般都是发光二极管，但是二次侧

7、（输出端）则有多种结都是发光二极管，但是二次侧（输出端）则有多种结构，如光敏二极管、光敏三极管等等。构，如光敏二极管、光敏三极管等等。输入输出ce光电耦合器特点：光电耦合器特点： （1）光电耦合器的信号传递采用）光电耦合器的信号传递采用2、光电耦合器的特点与常用类型、光电耦合器的特点与常用类型 光电耦合器的特点光电耦合器的特点输入输出ce 3、 光电耦合器的基本性能光电耦合器的基本性能 图中光电耦合器件由两部分组成：发光二极管和光敏三极图中光电耦合器件由两部分组成：发光二极管和光敏三极管。当发光二极管通过一定电流时它就会发光，该光被光敏三管。当发光二极管通过一定电流时它就会发光，该光被光敏三极

8、管接收，就使它的极管接收，就使它的c、e两端导通。当发光二极管内没有电流两端导通。当发光二极管内没有电流流过时，就没有光照射到光敏三极管，从而使三极管截止，流过时，就没有光照射到光敏三极管，从而使三极管截止，c、e两端开路。用此方法就可以将逻辑值以光的有、无方式从左端两端开路。用此方法就可以将逻辑值以光的有、无方式从左端传到右端。传到右端。输入输出ce开关量的隔离方法 1、晶体管输出型光电耦合器驱动接口 光电晶体管出了没有使用基极外，跟普通晶体管一样。取代基极电流的是以光作为晶体管的输入。当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在cb间和ce间有电流流过，这两个电流基本上受光的照度

9、控制，常用ce极间的电流作为输出电流，输出电流受Vce的电压影响很小。光电晶体管的集电极电流Ic与发光二极管的电流If之比称为光电耦合器的电流传输比。光电耦合器在传输脉冲信号时，对不同结构的光电耦合器的输入输出延迟时间相差很大。输入输出ce开关量的隔离方法 4N25作用：耦合脉冲信号隔离输入信号使两部分的电流信号独立。输出部分的地线接机壳或接大地，而8031系统的电压地线浮空，不与交流电源的地线相接。可避免输出部分电源变换对单片机电源的影响，4N25输入输出的的最大隔离电压2500V.RI(限流电阻）=(VCC-Vf-Vcs)/If开关量信号的输出开关量信号的输出开关信号输出的电气隔离开关信号

10、输出的电气隔离 光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路传送形式光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路传送形式 当被控设备远离单片机时，光电隔离接口电路设计如图所示。该电路为电当被控设备远离单片机时，光电隔离接口电路设计如图所示。该电路为电流环发送和接受电路，可以极大地提高系统的抗干扰性能，最大传输距离流环发送和接受电路，可以极大地提高系统的抗干扰性能，最大传输距离可达可达900m，传输速率可达，传输速率可达 50Kbs，但必须保证传输线中环路连线电阻，但必须保证传输线中环路连线电阻30欧姆，当该阻值过大时，欧姆，当该阻值过大时，l00欧姆的限流电阻相应减小。欧姆

11、的限流电阻相应减小。开关量信号的输出开关量信号的输出开关信号输出的电气隔离开关信号输出的电气隔离 TIL110功能与功能与4N25相同，但开关速度比它快。相同，但开关速度比它快。50欧姆的电阻不仅可以限流，最主要的是起到阻尼的作用，防止传送的信号发生畸变或产生突发的尖峰。电流环的电流If=VCC-(VF+VCS)/R1+R2输出端接一个带施密特整形电流的反相器，作用：提高电流抗干扰能力。电平在0.82V之间变化输出不改变状态。因此更接近理想的波形。2、晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 2、晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管，当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，

12、晶闸管即导通，有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电器在接通电源时对电网的影响 4N40是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器当输入端有1530mA电流时，输出的晶闸管导通，输出端的额定电压为400V，额定电流有效值为300mA。隔离电压为15007500V。4N40的6脚是输出晶闸管的控制端，不用此端时，此端可对阴极接一个电阻。 2、晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA,输出端额定电压为400V，输入输出隔离电压为7500V。 4N40常用于小电流用电器的控制，如指示灯等

13、，MOC3041一般不直接用于控制负载，而用于中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管。3.2 开关量的隔离方法开关量的隔离方法(3)继电器隔离 在经过光电隔离耦合器OPTO后，直流部分给继电器供电，而其输出部分则可直接与220V市电相接。继电器的驱动电路上常常反接一个保护二极管用于反向放电。电阻R为限流电阻。第三章第三章 信号隔离电路信号隔离电路 光电耦合器是目前在单片机和开关电源中用得最多的抗干扰器件。光耦合器（光电耦合器是目前在单片机和开关电源中用得最多的抗干扰器件。光耦合器（opticaloptical couplercoupler，英文缩写为，英文缩写为OCOC）亦称光电隔离器或光电耦合

14、器，简称光耦。）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光它是以光为媒介来传输电信号为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LEDLED）与受光器（光敏半）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加导体管）封装在同一管壳内。当输入端加TTLTTL电信号时发光器发出光线，受光器接受光线电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电电光光电电”转换，如图转换，如图7 7。 图27 光电耦合器原理及产品图 接口卡接口卡D1图图 光电耦合器工作原理光电耦合

15、器工作原理 2. 2. 外设是大于外设是大于5 5伏的信号伏的信号 外设大于外设大于5 5伏的电压可能对伏的电压可能对CPUCPU的的TTLTTL电平产生干扰，所以要采用电平产生干扰，所以要采用光电耦合器进行光电隔离，使外设电压不能干扰计算机光电耦合器进行光电隔离，使外设电压不能干扰计算机TTLTTL电平，电平，如外设是如外设是2424伏的直流继电器，如伏的直流继电器，如下图下图采用中间继电器控制，采用中间继电器控制，D1D1位为位为1 1时，中间继电器线圈时，中间继电器线圈J J不带电；不带电；D1D1位为位为0 0时，中间继电器线圈时，中间继电器线圈J J带电带电。因。因J J通断电瞬间产

16、生很大的自感电动势，加续流二极管通断电瞬间产生很大的自感电动势，加续流二极管D D，产生的，产生的自感电流在自感电流在J J和和D D之间消耗掉。中间继电器线圈带电后之间消耗掉。中间继电器线圈带电后, ,常开触电闭常开触电闭合合, ,接通交流继电器的线圈的接通交流继电器的线圈的220220伏交流电伏交流电, ,交流继电器三对常开触交流继电器三对常开触电闭合电闭合, ,将将380380伏交流电接到交流电机伏交流电接到交流电机, ,电机就运转起来了电机就运转起来了, ,电气控制电气控制原理图如图原理图如图1010所示。所示。 接口电路图接口电路图 中间继电器中间继电器 交流继电器交流继电器 交流电

17、机交流电机 图图 用并行输入输出卡控制用并行输入输出卡控制24V继电器线圈带电，再通过交流继电器控制电机继电器线圈带电，再通过交流继电器控制电机 交交流流 电电机机 PE 380伏交流电伏交流电压压 KM J KM 计 算 机计 算 机并 行 输并 行 输入 输 出入 输 出板板150H口的口的D1位位 J 光电 隔离 电路 图图 计算机控制交流电机电路原理图计算机控制交流电机电路原理图 FU SA 当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，到光照后产生电流，CECE导通；当输入

18、端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，止，CECE不通。对于数位量，当输入为低电平不通。对于数位量，当输入为低电平“0”0”时，光敏三极管截止，输出为时，光敏三极管截止，输出为高电平高电平“1”1”；当输入为高电平；当输入为高电平“1”1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ “ 0”0”。 图1 某系统强电控制柜内部实物照片空气开关空气开关接触器接触器热继电器热继电器继电器继电器 电路图固态继电器固态继电器固态继电器，固态继电器，SSR，是利用电子元件特性，可实现无火花，是利用电子元件特性，可实现无火

19、花地接通和断开电路，具有控制电流小、无机械噪声、体积地接通和断开电路，具有控制电流小、无机械噪声、体积小、寿命长等优点。小、寿命长等优点。固态继电器固态继电器是一个是一个4端器件。其中两个输入端、两个输出端端器件。其中两个输入端、两个输出端，中间采用隔离器件，以实现输入与输出之间的电隔离。，中间采用隔离器件，以实现输入与输出之间的电隔离。在逻辑控制电路中，可达到在逻辑控制电路中，可达到以弱控制强和弱强隔离以弱控制强和弱强隔离的目的的目的，跟电磁继电器工作原理基本相似，在，跟电磁继电器工作原理基本相似，在触发信号触发信号的的控制下控制下，实现对负载电路通断切换的开关作用。，实现对负载电路通断切换

20、的开关作用。三、单片机与固态继电器的驱动电路接口三、单片机与固态继电器的驱动电路接口 固体继电器简称固体继电器简称SSR，是一种采用固体半导体元件组装，是一种采用固体半导体元件组装而成的而成的新颖的无触点开关新颖的无触点开关。其输入电流小，用。其输入电流小，用TTL、HTL、CMOS等集成电路或加简单辅助电路就可以直接驱动，因此，等集成电路或加简单辅助电路就可以直接驱动，因此，在单片机测控系统中作为输出通道的控制元件，其输出利用在单片机测控系统中作为输出通道的控制元件，其输出利用晶体管或可控硅驱动，无触点。晶体管或可控硅驱动，无触点。1、固态继电器概、固态继电器概述述 与与普通继电器相比普通继

21、电器相比，SSR体积小，开体积小，开关速度快，无机械触点，没有机械磨损，关速度快，无机械触点，没有机械磨损，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振动、冲击，使用寿命长。它在通断时没有动、冲击，使用寿命长。它在通断时没有火花和电弧，有利于防爆，干扰小。火花和电弧，有利于防爆，干扰小。1）以负载电源类型分为：）以负载电源类型分为：直流直流以功率晶体管作开关元件输出；以功率晶体管作开关元件输出；交流交流以晶闸管作开关元件输出。以晶闸管作开关元件输出。2）以输入输出之间的隔离形式分为：）以输入输出之间的隔离形式分为：光耦合隔离；光耦合隔离； 磁耦合隔离。磁耦合隔离。3

22、）以控制触发信号可分为）以控制触发信号可分为:过零触发、非过零触发；过零触发、非过零触发； 有源触发、无源触发。有源触发、无源触发。种类种类3光电隔离固态继电器固态继电器 SSR 工作原理: 性能特点:固态继电器的主要性能特点1、无机械触点，电路工作时不产生火花。2、无机械和电磁噪声，具有 最小的干扰。3、抗干扰能力强。4、驱动功率小，光电耦合器的驱动电流只需10mA左右。5、可靠性高，无可动部件，耐潮湿、冲击。6、承受涌浪电流大，一般可达到额定值的610倍。7、对电源电压的适应能力强。 SSR应用: a.单刀双掷控制电路b.计算机控制单相交流电动机正反转的接口电路隔离放大器的基本原理 隔离放

23、大器由隔离放大器由输入放大器、信号耦合器件、输入放大器、信号耦合器件、输出放大器输出放大器以及以及隔离电源隔离电源等部分组合。等部分组合。一.组成二.过程 输入放大器是浮空的，输入放大器是浮空的， 加到输入放大器加到输入放大器(与信与信号源共地号源共地) 放大放大调制成交流调制成交流高绝缘性能变压器高绝缘性能变压器解调成直流解调成直流输出放大器放大后输出输出放大器放大后输出 输入放大器和输出放大器之间有绝缘性能很好输入放大器和输出放大器之间有绝缘性能很好的绝缘层隔离的绝缘层隔离(可以是磁，也可以是光可以是磁，也可以是光)，从而，从而保证了共模电压保证了共模电压 在输入回路中产生电流可在输入回路中产生电流可忽略，从而大大提高了共模抑制比。忽略，从而大大提高了共模抑制比。iVcmVAD202隔离放大器 输出引出输出引出4