1、数字信号光耦合器应用电路设计.txt 熬夜，是因为没有勇气结束这一天；赖床，是因为没有勇气开始这一天。朋友，就是将你看透了还能喜欢你的人。 本文由 3 毁灭天使 3 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。2008 年 10 月 第 10 期电子测试 EL EC TRON IC TESTOct . 2008 No . 10数字信号光耦合器应用电路设计田德恒( 莱芜职业技术学院信息工程系 莱芜 271100)摘 : 较强的输入信号可直接驱动光耦的发光二极管 ,较弱的则需放大后才能驱动光耦 。在光耦光敏三极管 要 的集电极或发射极直接接负载电
2、阻即可满足较小的负载要求 ; 在光耦光敏三极管的发射极加三极管放大驱动 , 通过两只光电耦合器构成的推挽式电路以及通过增加光敏三极管基极正反馈 ,既达到较强的负载能力 ,提高了 功率接口的抗干扰能力 ,克服了光耦的输出功率不足的缺点 ,又提高光耦的开关速度 ,克服了由于光耦自身存在 的分布电容 ,对传输速度造成影响 。最后给出了光耦合器在数字电路中应用示例 。 关键词 : 数字信号 ; 光电耦合器 ; 输入电路 ; 输出电路 中图分类号 : TP211 文献标识码 : BApplied circuit design of optoelect ro nic co upler to t he di
3、gital signalTian Deheng( Dept of Information Engineering , Lai Wu Vocational College ,Laiwu 271100 ,China)Abstract :The light2emitting diode of optoco upler can be directly drived by st ro nger inp ut sig2 nal s , t he weaker t he inp ut signal can be enlarged before driving optoco upler. Co nnectin
4、g direct 2 ly load resistance wit h t he collector or emit ter of p hotot ransistor to meet smaller load require2 ment s ; drover by t he amplifier t rio de o n t he emitter of p hotot ransistor ,p ush2p ull circuit s co n2 sisting of two optoco upler as well as po sitive feedback added to base of t
5、 he p hotot ransistor not o nly achieve st ro ng load capacit y and enhance t he power of t he interface anti2jamming capabili2 t y , but al so overco me t he shortco mings of t he scant o utp ut power , increase t he switching speed ,overco me effect o n t he speed of t he t ransmissio n due to t h
6、e dist ributio n of capacitance. Finally , t he applicatio n example of t he optoco upler in t he digital circuit is given. Keywords :digital signal ; optoelect ro nic co upler ; inp ut circuit ; o utp ut circuit0 引 言光电耦合器是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内 , 中间通过 “电 2 光 2 电” 转换来传输 电信号的半导体光电子器件 。光耦合器的主要优 点是单向传输信号
7、 ,输入端与输出端完全实现了电 气隔离 ,抗干扰能力强 , 使用寿命长 , 传输效率高 。 它广泛用于电平转换 、 信号隔离 、 级间隔离 、 开关电76测试工具与解决方案 路、 远距离信号传输 、 脉冲放大、 固态继电器 ( SSR) 、 仪器仪表、 通信设备及微机接口中。 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向 压降 V F 、 正向电流 IF 、 电流传输比 C TR 、 输入级与 输出级之间的绝缘电阻 、 集电极 2 发射极反向击穿 电压 V (BR) CEO 、 集电极 2 发射极饱和压降 V CE( sat) 。在 传输数字信号时还需考虑上升时间 、 下降时间 、 延 迟时间和存储
8、时间等参数 。 电流传输比是光耦合器的重要参数 ,通常用直 流电流传输比来表示 。当输出电压保持恒定时 , 它 等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的百分 比 。采用一只光敏三极管的光耦合器 , C TR 的范 围大多为 20 % 300 % ( 如 4N35 ) , 而 PC817 则为 80 % 160 % , 达林顿型光耦合器 ( 如 4N30 ) 可达100 %5000 % 。这表明欲获得同样的输出电流 ,2008. 10式中 : U H 为数字信号高电平电压值 ; U F 为发光二极 管导通电压 ; IF 为导通电流 ,可从手册上查得。 图 1 ( b) 电路中 , R1
9、按如下估算 : V CC - U L - U F ( 2) R1 =IF式中 : U L 为低电平电压值 。 当输入信号较弱时 , 须经放大后能驱动光耦 。 增大电流驱动电路如图 1 ( c) 所示 。R1 亦为限流电 阻 ,按如下估算 : V CC - U CES - U F R1 =IF( 3)式中 : U CES 为三极管饱和压降 。2 输出电路设计2. 1 小功率输出电路接口设计后者只需较小的输入电流 。因此 , C TR 参数与晶 体管的 h FE 有某种相似之处 。电路如图 2 所示 。1 输入电路设计常用光电耦合数字信号输入电路如图 1 所示 。图 1 常用光耦合器数字信号输入电
10、路光电器件或光电输入电路以及其他电路的输 出信号比较强 ,即光耦合器的输入信号较强的情况 下 ,可直接驱动光耦合器的发光二极管 。电路如图 ( 1 ( a) 、b) 所示 。其中图 1 ( a) 为高电平驱动 ,输入高 电平时 L ED 正偏导通 , 光耦合器输出端有信号输 出 。图 1 ( b ) 为低电平驱动电路 , 当输入信号为低 电平时 L ED 正偏导通 , 光耦合器输出端有信号输( 出 。如图 1 ( a ) 、b ) 中 R1 为限流电阻 。图 1 ( a ) 电图 2 常用光耦合器输出电路其中图 2 ( a) 为同相输出形式 ,即输入电平与输 出电平极性相同 。当 U i 为高
11、电平时 L ED 正向导 通发光 ,光敏元件受到光照后产生导通 ,在 R2 上形 成压降 ,Uo 为高电平 1” “ 。电阻 R2 的由如下估算 : ( 4) IL = C T R I F路中 , R1 以如下估算 :R1 = UH - UF IF( 1)772008. 10V PP - U CE ( sat) ILTest Tool s “ 时 ( 高电平 1” “ 。电阻 R2 的由式 ( 4) 、5) 估算 。 ( 在这里应该注意 : 在图 2 ( a ) 、b ) 两种情况中 , ( 光耦集电极电阻按照式 ( 4 ) 、5) 确定 。如果其集电 极负载电阻能太小 , 输出电压的摆幅就受
12、到了限 制 。如果负载电阻又不宜过大 ,光电耦合器的频率 特性就越差 ,传输延时也越长 。 图 2 ( c) 为电路放大输出形式 ,可以提高电路稳 定性和可靠性 ,图中接法为同相输出形式 。 2. 2 功率接口的设计 微机测控系统中 , 经常要用到功率接口电路 , 以便于驱动各种类型的负载 , 如直流伺服电机 、 步 进电机 、 各种电磁阀等 。这种接口电路一般具有带 负载能力强 、 输出电流大 、 工作电压高的特点 。工 程实践表明 , 提高功率接口的抗干扰能力 , 是保证 工业自动化装置正常运行的关键 。 就抗干扰设计而言 , 很多场合下 , 我们既能采 用光电耦合器隔离驱动 , 也能采用
13、继电器隔离驱 动 。一般情况下 ,对于那些响应速度要求不很高的 启停操作 , 我们采用继电器隔离来设计功率接口 ; 对于响应时间要求很快的控制系统 ,我们采用光电 耦合器进行功率接口电路设计 。这是因为继电器 的响应延迟时间需几十 ms , 而光电耦合器的延迟 时间通常都在 10 s 之内 , 同时采用新型 、 集成度 高、 使用方便的光电耦合器进行功率驱动接口电路 设计 ,可以达到简化电路设计 ,降低散热的目的 。 图 3 是采用光电耦合器隔离驱动直流负载的 典型电 路 。因 为普 通光电 耦合 器的 电 流 传 输 比 CR T 非常小 , 所以一般要用三极管对输出电流进 行放大 ,也可以
14、直接采用达林顿型光电耦合器来代 替普通光耦 T1 。例如东芝公司的 4N30 。对于输 出功率要求更高的场合 ,可以选用达林顿晶体管来 替代普通三极管 , 例如 UL N2800 高压大电流达林 顿晶体管阵列系列产品 ,它的输出电流和输出电压 分别达到 500 mA 和 50 V 。图 3 加三极管放大驱动2. 3 提高光电耦合器的传输速度当采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计 时 ,光电耦合器的传输特性 ,即传输速度 , 往往成为 系统最大数据传输速率的决定因素 。在许多总线 式结构的工业测控系统中 ,为了防止各模块之间的 相互干扰 , 同时不降低通讯波特率 , 我们不得不采 用高速光耦来实
15、现模块之间的相互隔离 。常用的 高速光耦有 6N135/ 6N136 ,6N137/ 6N138 。但是 , 高速光耦价格比较高 ,导致设计成本提高 。我们介 绍两种方法来提高普通光耦的开关速度 。 由于光耦自身存在的分布电容 ,对传输速度造 成影响 ,光敏三极管内部存在着分布电容 Cbe 和 Cce ,如图 4 所示 。由于光耦的电流传输比较低 , 其 集电极负载电阻不能太小 ,否则输出电压的摆幅就 受到了限制 。但是 , 负载电阻又不宜过大 , 负载电 阻 RL 越大 ,由于分布电容的存在 ,光电耦合器的频 率特性就越差 ,传输延时也越长 。4 图 光敏三极管内部分布电容图 5 中用两只光
16、电耦合器 T1 , T2 接成互补推 挽式电路 ,可以提高光耦的开关速度 。当脉冲上升 为 1” “ 电平时 , T1 截止 , T2 导通。相反 ,当脉冲为 0” “ 电平时 , T1 导通 , T2 截止。这种互补推挽式电路的 频率特性大大优于单个光电耦合器的频率特性。78测试工具与解决方案2008. 105 图 两只光电耦合器构成的推挽式电路图 7 流量检测通道电原理图此外 ,在光敏三极管的光敏基极上增加正反馈 电路 , 这样可以大大提高光电耦合器的开关速度 。 如图 6 所示电路 ,通过增加一个晶体管 ,4 个电阻和 一个电容 , 实验证明 , 这个电路可以将光耦的最大 数据传输速率提
17、高 10 倍左右 。该电路元件由下列公式估算 。 ( 1) R1 、 2 估算 : RUBE = R2 U iH R1 + R2( 6)式中 : U BE 为驱动晶体管饱和导通时发射结电压硅 管取 0. 7 V ,锗管取 0. 20. 3 V ; U i H 为输入脉冲幅 值。 ( 2) R3 的估算 :IF = V CC - U CES 1 - U F ; I FM R3( 7)图 6 通过增加光敏基极正反馈来提 高 光耦的开关速度3 光耦合器在数字电路中应用示例图 7 为某能源自动检测系统中液体流量检测 通道电路图 。U i 是幅度为几伏的脉冲信号 。它是 由系统中涡轮流量变换器 、 磁阻
18、传感器经前置放大 后输出的 ( 图中未画出 ) 。U i 的频率与涡轮转速亦 即和流量成正比 。图 7 中 ,光耦为有基极引出线的 4N35 型光耦 ,它不仅能有效抑制工业现场干扰 , 提 高测试通道信噪比 ,还能完成变换器与数字信号间 信号电平转换 。4N35 的主要参数 : 图中 R1 、 2 组 R 成偏置电路 , 使 V 1 输入为高电平时可靠导通 ; R3 为光耦 L ED 限流电阻 ; R4 为光敏三极管集电极偏 置电阻 。当光敏三极管截止时 , 光耦输出高电平 , 当光敏二极管导通时光耦输出低电平 。后面接两 个施密特触发器进行整形 ,将输入与流量成正比的 的脉冲变成沿口陡直的矩
19、形窄脉冲 。式中 : U CES1 为 三 极 管 V 1 的 饱 和 压 降 , 硅 管 取 0. 3 V 。 有的手册中不给出 I F 而给出 I FM , 选择时 I F 应小于 I FM , I F 一般取几 mA 到几十 mA 。 ( 3) R4 的估算 : 光敏三极管电流 IL 和电阻 R4 ( 可由式 ( 4) 、5) 估算 。 本例中取 U CE( sat) 为 0. 3 V 。 ( 4) 三极管的选用 : 三极管 V 1 应选开关管或 高频管 。 值不能选太小 ,一般取几十倍 。 ( 5) 耦合电容选择 : 耦合电容 C 取值和输入信 号频率 f 有关 。C ( 3 - 5)
20、1 1 ( 8) ( 3 - 10) 2 f ( R1 + rbel ) 2 f R1式中 : rbe1 为三极管 V 1 的基极 2 发射极微变等效电路 。4 结束语本文简单介绍了光电耦合器的性能特点 ,说明 了输入信号较弱和较强时输入电路的设计以及参 数计算 , 也介绍了满足不同负载的输出电路的设 计 ,并提出了提高功率接口的抗干扰能力及提高光 ( 下转第 83 页)79测试工具与解决方案 合布线设计方案 , 基本达到了设计要求 , 并能有效 地保证该办公楼信息系统的正常运行 。可以说还 是一个实用性较强的方案 。2008. 10参考文献1 刘国林 . 综合布线 M . 北京 :机械工业出
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22、宋建锋 . 综合布线工程实用设计施工手册 M . 北京 : 中国建筑工业出版社 ,1997. 作者简介 武智梅 ,女 ,兰州石化公司工程公司设计分公司电控室 设计人员 ,主要研究方向为电信及电气工程设计 。 地址 : 兰州市西固区兰州石化工程公司设计分公司 ,730060E2mail : sammi_honey 163. co m( 上接第 57 页)5 舒志兵 , 袁佑新 , 周玮 , 等 . 现场总线运动控制系统 M . 北京 : 电子工业出版社 ,2007. 6 胡振华 . V HDL 与 FP GA 设计 M . 北京 : 中国铁道计技巧 M . 北京 : 电子工业出版社 ,2004.
23、 作者简介 陈飞 , ( 19672) ,男 ,讲师 ,硕士研究生 ,主 要从事数字信号处理 、 网络通信 、 现场总线技 术应用的研究与教学 。 地址 : 桂林工学院电子与计算机系 ,541004出版社 ,2003.7 王诚 ,薛小刚 ,钟信潮 . FP GA/ CPLD 设计工具 2Xilinx ISE 使用详解 M . 北京 : 人民邮电出版社 ,2005. 8 孙航 . Xilinx 可编程逻辑器件高级应用与设( 上接第 79 页)耦的开关速度的方法 ,克服了光耦的输出功率不足 的缺点和由于光耦自身存在的分布电容 ,对传输速 度造成影响 。给出了光耦合器在数字电路中应用 示例 。 参考
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