电路设计与制作（含活页式实训工单） 课件 项目3 任务1 数字量输入电路设计

项目3

隔离输入输出电路的设计

项目引入实现输入和输出之间的电气隔离往往是电路设计中需要考虑的因素，电气隔离通常用于保护电路免受电流干扰和噪声等外部因素的影响。电路的设计需要考虑电源供电的隔离、输入输出信号的隔离、通信线路的隔离等，供电电路的隔离在上一个项目中有所涉及，本项目重点关注输入输出信号的隔离。作为本书案例的隔离控制器，其主要功能就在于对目标信号的隔离控制，开关量信号的隔离输入输出电路是其电路的重要部分，本项目的实施将完成这部分电路的设计。学习目标知识目标理解隔离输入输出电路的定义、作用；熟悉隔离输入输出电路设计中常用的隔离技术；掌握隔离输入输出电路的布局、连接方式、选型和调试方法。技能目标能够根据实际需求选择合适的隔离技术，并设计符合要求的隔离输入输出电路；能够熟练运用仪器设备进行隔离输入输出电路的测试、调试和验证；能够分析并解决隔离输入输出电路中可能出现的问题。素养目标建立安全意识和责任意识，保障用户和设备的电气安全；培养学生实验精神和创新意识，不断探索新的技术和方法；培养学生遵守职业道德和法律法规，确保设计过程和结果的合法合规性。项目3

隔离输入输出电路的设计

任务1数字量输入电路设计任务描述数字量输入电路设计是为了将数字信号输入到电路中。在这个任务中，读者学习光耦隔离的相关电路知识，并为隔离控制器设计一个电路，将来自数字传感器或其他数字设备的信号进行隔离和处理，并将其转换为适合于后续处理的电平。知识储备

一、光电耦合器1.光电耦合器简介光电隔离器（OpticalCoupler，，OC）亦称光电耦合器、光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以在各种电路中得到广泛的应用。光电耦合器组装了发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管），利用光线实现光—电—光的转换。1.光电耦合器简介光电耦合器种类很多，图3-1所示为常用的三极管型光电耦合器内部结构图，该光电耦合器为4脚封装的接收型三极管。1.光电耦合器简介当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而产生光亮，光敏三极管受到光照后产生电流，三极管导通；当输入端无信号，发光二极管无电流通过，无光照产生，光敏三极管截止，三极管CE不通。对于数字量而言，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。光电耦合器的优点在于其信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，而且无触点，使用寿命长，传输效率高。2.光电耦合器的抗干扰性光电耦合器能在传输信号的同时，有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信噪比大为提高，主要有以下几方面的原因：（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗往往很大，通常为105～106Ω。因此，即便干扰电压的幅度较大，但反馈到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成微弱电流，不足以使光耦内部的二极管发光。2.光电耦合器的抗干扰性（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，且二者之间的分布电容极小，绝缘电阻却很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会造成损坏。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。（4）光电耦合器的响应速度极快，其延迟时间只有10s左右，适用于对响应速度要求高的场合。3.部分光电隔离技术的应用（1）计算机接口电路中的光电隔离计算机有多个输入接口，接收来自远处现场设备传来的状态信号，计算机处理这些信号后，输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入计算机系统，将使控制的准确性降低，产生误动作。因而，可在计算机的输入和输出端，利用光电耦合器对信号及杂讯干扰进行隔离。3.部分光电隔离技术的应用典型的光电耦合电路如图所示。该电路主要应用在“A／D转换器”的数字信号输出、由CPU发出对端口的控制信号、数字信号的端口输入等，从而实现不同系统间的信号通路相联，同时，各信号在电气通路上相互隔离，可实现将模拟电路和数字电路相互隔离，起到抑制交叉干扰的作用。3.部分光电隔离技术的应用在计算机控制系统中，开关量的控制应用较多，这些开关量一般经过计算机的I/O输出，而I/O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些电磁执行器件，需加接驱动电路。为避免计算机受到干扰，须采取隔离措施。例如，可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与计算机系统直接相连，可应用光耦合器将计算机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。3.部分光电隔离技术的应用电路实例如图所示。在马达控制电路中，也可利用光耦隔离控制电路与马达高压电路。马达高压电路靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，控制信号和功率管之间需要隔离放大级。在光耦隔离级—放大器级—大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制等特性。3.部分光电隔离技术的应用（3）远距离的隔离传送。在计算机应用系统中，由于测控系统与被测控设备之间不可避免地要进行长距离传输，信号在传输过程中很容易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真。另外，相距较远的设备通过长电缆连接，常因设备间的地线电位差，导致出现对地环路电流，对电路形成干扰。为确保长距离传输的可靠性，可采用光电耦合隔离，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使其相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如图3-4所示。3.部分光电隔离技术的应用从图3-4可以看出，长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生的杂讯电压，避免形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配的问题。同时，若受控设备短路时，还能保护系统不受损害。课堂思考如将光耦隔离应用于通信，与其他通信技术相比有什么优缺点？在什么情况下通信中可以使用光耦隔离技术？4.注意事项（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。（2）当用光电耦合隔离输入输出通道时，必须隔离所有的信号（包括数字量信号、控制量信号、状态信号），使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则达不到隔离效果。二、光耦的规格参数在隔离控制器的电路中，采用了EL357N光耦做隔离，其规格书如图3-5所示。从规格书封面中可以查看光耦性能简介等重要信息。其中包括该光耦的简要介绍、用途的示例说明，对光耦的4个引脚也进行了标识。但更详细的规格参数仍然需要参看规格书内页。二、光耦的规格参数规格书中也包含了绝对最大额定值表，帮助用户确定光耦的应用条件，见表3-1。输入输出的最大额定参数可以结合光耦示意图中二极管和三极管的结构来理解。二、光耦的规格参数除此以外，规格书中也包含了光耦的电气参数表，供设计电路时参考，见表3-2。表3-2电气参数表二、光耦的规格参数为了提供更详细的信息，以便设计，规格书给出了实验室中指定条件下测得的电气参数的电路图。供测试用的示例电路如图3-6,机械尺寸如图3-7。三、隔离输入电路使用光耦作为输入电路的隔离器件，配合隔离电源的使用，可以让输入端与控制系统完全隔离，这样外部输入信号就不会影响控制系统的工作。其参考电路如图3-8所示。三、隔离输入电路电路中与光耦配合的电阻可以按如下方式简略计算：从手册中我们查到，EL357N的输入二极管压降是1.2V，电流传输比取50%，原边是12V，副边是3.3V，算一下限流电阻和上拉电阻的大小。三、隔离输入电路二极管工作不能超过50mA，实际电流取20mA。R2=（12-1.2）/0.02=540Ω

（3-1）这里取R2电阻值为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=