光电隔离技术范文

关键词：A/D接口；CPCI；电压；隔离

引言

随着工业控制领域的发展，在实际应用中会经常用到采集和控制功能，因此会使用到A/D模块，该设计中的A/D模块是一种加固型A/D转换模块，采用PCI总线接口，符合PICMGCompactPCI标准。提供32路单端或16路差分模拟信号输入，采用数字光电隔离。

该设计中的A/D模块主要具备以下功能：

(1)提供32路单端或16路差分模拟信号输入，电压输入范围：0～＋5V，0～＋10V，－5V～＋5V，－10V～＋10V由软件可选；

(2)放大器的增益软件可编程控制，增益分别为：1，2，4，8；

(3)A/D转换控制和数据与本地控制及PCI总线采用光电隔离方式；

(4)使用EPM7256实现CPLD可编程内部硬件扫描及控制逻辑电路。

1设计原理

该设计的光隔A/D转换模块主要由九个功能块构成：

·多路模拟输入及通道转换组合控制电路

·输入模拟信号增益控制电路

·模拟/数字（A/D）转换及信号范围控制电路

·光电隔离电路

·采样数据缓存器FIFO

·定时器电路

·CPLD可编程内部硬件扫描及控制逻辑电路

·PCI总线接口及控制电路

·数据传输和中断

该模块主要采用PLX公司的PCI9052芯片作为接口芯片，将总线上的信号连接到EPM7256芯片上，然后由EPM7256芯片实现状态控制、地址译码、数据锁存等功能，之后经过HCPL0631隔离芯片，通过AD1674芯片完成模拟信号的转换。

A/D转换模块采用CPCI总线接口，最主要的有以下几个功能模块：多路模拟输入，增益控制，模拟／数字转换器，光电隔离，控制寄存器、数据寄存器与总线接口逻辑，FIFO存储器。具体连接方式如图1。

图1A/D转换模块原理框图

2实现方法

2.1主要原器件选择

在该设计中采用成熟技术，选用常用、可靠的控制芯片，结合一些常用的电路和专用电路实现全部的功能。即选择PCI9052作为接口芯片，利用该芯片实现PCI总线从接口逻辑。

选择ALTERA公司的EPM7256芯片作为CPLD可编程逻辑控制芯片，ALTERA公司时世界一流的FPGA、CPLD和ASIC半导体生产商，所提供的芯片具有可靠性和稳定性。

为了实现模块上的A/D电平转换功能，选择了ANALOG的AD1674作为A/D转换芯片。

2.2PCI9052与EPM7256硬件接口实现

如图2所示，PCI9052与EPM7256连接的本地总线信号包括地址、数据、控制信号三部分。地址总线的宽度为16位，数据总线的宽度也为16位，控制信号包括读写控制信号和地址锁存信号，当PCI9052要向EPM7256发送数据的时候，先通过BALE信号锁存地址，随后才发送数据和其他信息，反之是通过CHRDY信号来锁存地址和收取数据信息。

图2PCI9052与EPM7256接口示意图

2.3A/D转换设计

·多路模拟输入

该功能块主要由若干片多路选择器模拟开关组成，通过控制电路控制32路模拟通道的输入方式（即单端或差分模拟输入）。

·增益控制

该功能块由可编程增益运放来实现对输入信号的放大，放大倍数由输入控制字进行控制，增益分为1、2、4、8四级。

·模拟/数字（A/D）转换及范围控制电路

该功能块主要由一个12位的A/D转换器集成电路和电子开关组成，通过电子开关的不同组合达到改变A/D不同的转换范围，同时将模拟量转换成数字量。

2.4计数器和时钟设计

相比其他公司，OKI公司生产的M82C53计数器使用更稳定，性能更出色，其内部有三个均为16位的计数器，可进行二进制或十进制计数，他们的机构完全相同，每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。

该模块这部分的功能首先由晶振产生8MHZ的时钟，经过EPM7256里面程序16分频后为500KHZ提供给M82C53作为时钟，经M82C53计数器0分频后作为A/D变换及0~15通道的扫描时钟，计数器1时钟作为定时中断信号，其输出可查询。

M82C53的数据和读写操作等主要是同EPM7256芯片进行操作，具体实现方法见图3。

图3计数器和时钟设计示意图

2.5隔离设计

为了提高抗干扰能力，需要将A/D转换后的数字量、以及控制信号和状态信号通过高速光耦与板上数据和控制链隔离，达到与系统和总线隔离。

光耦隔离芯片采用的是HCPL0631光耦芯片，它体积小、寿命长、无触点，并且抗干扰能力强，输入输出之间绝缘、单向传输等特点，它是一个线性光耦芯片，模拟信号隔离的一个比较好的选择就是用线性光耦，它与普通光耦的却别就是将单发单收的模式增加了一个用于反馈的光接受电路用于反馈，这样就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。

本模块设计中的信号隔离处理如图4所示。

图4单个光耦隔离芯片设计示意图

一个HCPL0631光耦芯片可以处理两路信号的隔离，这里要强调的是，隔离芯片的这两路信号的输出端OUT1和OUT2最好单独各自接一个电阻，如果用一个电阻将两路输出端同时拉高至ISOVCC的话，这两路将同时共流，某一路的电流可能会分得不够，从而导致信号不稳定，影响模块的使用，这方面已经通过验证得到了肯定。

2.6电源设计

本模块用到了四种电源，其中PCI总线信号为5V，A/D核心转换芯片和模拟开关、运放芯片需要用到+15V和-15V电压，而本模块还有隔离功能，隔离芯片需要用到隔离后的5V电压（ISO_VCC）。

5V电压由系统提供，+15V和-15V电压由Murata公司的BWR-15/275-D5A模块转换提供；隔离电压也是由Murata公司的ISO_VCC由UST-5/500-D5模块转换提供。该电压转换模块封装小巧，电路简单，具有很好的转换效率和稳定性。

3CPLD逻辑设计

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言结构复杂，属于大规模集成电路范围。是用户根据各自需求而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到编程芯片中。

本模块内的逻辑功能块由A/D计数器、数据缓存器FIFO、数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器、地址译码、读写逻辑和中断电路等构成内部总线逻辑，并通过数据缓冲器与PCI总线进行数据交换，具体方式见图5。

图5FPGA内部电路示意图

4结语

该模块的环境指标符合相关军用标准，可以在振动、冲击、低温、高温、湿热和强电磁干扰等恶劣环境下可靠地工作，经长时间考核，本系统运行稳定并且可靠。

参考文献：

[1]周群，李宇，张吉.基于CPCI总线的智能A/D、D/A模块设计[J],现代电子技术,2009.

光电隔离技术范文篇2

【关键字】电气隔离，电气控制线路，应用

中图分类号：F406文献标识码：A文章编号：

一、前言

电气隔离在电气控制线路上的应用十分普遍，同时也非常重要，通过加强对其的研究分析，可以促进其不断地应用，这对于我国在这方面的研究意义重大。

二、数控机床控制系统常见干扰综合分析

在数控机床电气控制系统的工作环境中，存在一些因自然因素或人为因素产生的电磁干扰信号，这些信号会通过一定途径进入控制系统。可根据干扰源和干扰传播路径的不同，数控机床控制系统的干扰可分两大类：一是系统内部的相互干扰，二是系统外部的干扰。其中，系统内部的控制模块产生的相互干扰主要由接触器、继电器、开关等装置内部的器件引起，可通过系统通道进行干扰(如输入、输出端口)、供电系统干扰(如电源)和空间干扰的方式进入数控机床的控制模块。

例如，接触器的动作会产生两种干扰信号：一是接触器开关触点开、合会在母线上引起含有多种频率分量的衰减震荡波，母线相当于天线，将暂态电磁场的能量向周围空间辐射，进人数控控制模块后形成干扰。这种干扰与开关所带负载的类型和功率大小有关，一般情况，感性负载、大功率变压器引起的干扰强度更大；二是接触器控制线圈通、断时在线圈两端产生的过电压，通过电源线和输出继电器进入控制系统。系统内其它的强电信号，可通过电源线传输或空间电磁耦合等方式干扰数控系统；三是外部环境，如大电弧电流产生的剧变强电磁场、强大的交变电磁场、大功率的变频器以及雷电等，这些干扰的传播路径主要是空间电磁耦合。

三、信号隔离

1、光电耦合隔离

光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下，以光为媒介传送信号，对输入和输出电路进行隔离。因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小和耐冲击等好处，使其在强一弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽、无触点输入与输出以及在电气上完全隔离等特点，而被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。

光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大、隔离电容很小(约几个pF)，所以能阻止电路耦合产生的电磁干扰，被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来。开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。由于光电耦台器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2．5kV以上，有些器件达到了8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件(频率高达10MHz)。常用的器件如4N25，其隔离电压为5．3kV；6N137，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上。

2、脉冲变压器隔离

脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特小，仅为几个pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，PLC使用的数字量信号输入／输出的控制设备不要求传递直流分量，因而在工控系统中得到了广泛的应用。

下图是脉冲变压器的应用实例。电路的外部信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰，然后输入脉冲变压器的一次侧。为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系统内部。一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在1kHz～1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。

3、继电器隔离

继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。下图是继电器输出隔离的实例示意图。在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。

4、配线系统隔离

将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定的距离。配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线和感性负载驱动线等。配线间隔越大，配线越短，则噪声影响越小。但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能维持最低限度的间隔距离便可。如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用诸如信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。

四、控制线隔离技术——电源系统隔离技术

1、交流电源供电系统隔离法

交流电源中存在着诸多电干扰源，如交流电源在工作时产生的数量巨大的谐波、高频波、雷击浪涌等一系列干扰噪声，所以在以交流式电源为主要供电设备的电气系统中其电源系统均应该采取抗干扰措施，隔离电源变压器就是一个较为有效的电源抗干扰装置，该装置能够有效地防止电源工作中由电流产生的噪声干扰。隔离电源变压器的运作原理是在电压器内部的加入了隔离层，并且变电器内部结构做了相应的调整，之所以一般的交流变器不论如何概念其内构都无法达到这种效果是因为即使使变压器内的一次烧和二次烧组件绝缘不产电流流动，但由于交流电流的作用变压器中会有分布电容（铁心与烧组之间，烧组与烧组之间，层匝之间以及引线与引线之间）存在，这样交流电网之中就会有电容耦合存在，从而产生噪声。因此采用隔离电压变压器才能有效对交流电源进行有效的噪音隔离。

2、直流电源供电系统隔离法

直流电源供电系统虽然与交流电源供电系统比起来在工作过程中产生的噪声较小，而且直流电产生的噪声污染也比较好控制，但在工作中如对直流电源供电系统不加以控制和预防其产生噪声也会有较明显的影响作用。直流电源供电系统内部产生干扰主要来自直流电源系统中的子系统，各个子系统之间相互的作用影响或是子系统内部自身的影响，导致直流供电系统产生噪声，要想对直流电源供电系统做噪声隔离就要在直流变压器中的各个子系统间添加隔离膜，或者直接采用隔膜变压器也能有效降低直流变压器在工作是产生的噪声。

五、结束语

总之，电气隔离在电气控制线路上的应用十分普遍，而且重要性很强，需要不断加强对其的研究，以此才能促进其继续的发展和应用。

参考文献：

[1]沈春波数控机床电气控制系统中的电气隔离技术科技创新与应用2013-01-08期刊

光电隔离技术范文

[关键词]电子测量仪干扰抗干扰问题技术措施

[中图分类号]TN97

[文献标识码]A

[文章编号]1672-5158（2013）05-0166-01

一、干扰现象

（一）、干扰的定义

干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。对于电测系统来说，干扰就是指对电测系统或仪器的测量结果产生影响的各种内部或外部的无用信号。干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、振动干扰和声波干扰等等，其中，电磁干扰是最为常见的干扰方式，电磁干扰对于系统的影响也最大。电磁干扰容易对系统的性能或信号传输产生有害的影响，使信号的数据发生瞬态变化，加大误差，严重时可能会导致整个系统出现故障。

（二）、干扰的来源

产生干扰必须具备三个因素：干扰源、传播途径和接受载体。对于电磁干扰来说，许多的设备都能够成为干扰源，例如继电器、变压器、微波电器、电动机、高压电线等，这些设备都能够产生电磁信号，对电子测量仪器进行参数检测造成影响。另外，宇宙射线、太阳光和雷电这些自然现象也会产生电磁信号，成为干扰源。电磁信号在空中是直线传播的，具有极强的穿透能力，电磁信号还能够通过导线传人电子测量仪器，传播的途径众多，也是电磁干扰现象十分广泛的原因之一。电子测量仪器就是很好的接受载体，它会吸收干扰信号，影响参数检测。所以，干扰是会对系统造成有害影响的，除去干扰形成因素的任何一个，都能够有效地避免干扰。抗干扰技术就是针对干扰的三个要素进行研究和处理，破坏其中的一个或几个干扰生成的要素。

二、几种常用的电子测量仪器抗干扰技术措施

电子测量仪器容易出现干扰问题，通过干扰现象的来源进行分析，可以知道，提高电子测量仪器抗干扰性能最理想的方法就是抑制干扰源，使其不向外产生干扰或者将其产生干扰造成的影响限制在允许的范围之内。对于生产车间来说，想要生产的过程中不产生干扰源几乎是不可能的。有些干扰是避免不了的，例如电网和外界环境的干扰。所以，在电子测量仪器来说，除了要对一些干扰源进行抑制之外，还需要在产品自身设计方面进行研究，提高其抗干扰性能。常见的电子测量仪器抗干扰技术措施如下所述：

（一）、屏蔽技术

屏蔽技术室利用导电或导磁材料制成的盒状的或壳状的屏蔽体，可以将干扰源或者受干扰对象包围起来，这样就可以割断或者削弱干扰源的空间耦合通道，组织干扰源向受干扰对象传输电磁能量。根据屏蔽的干扰场的性质的不同，一般可以将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种类型。通常采用电场屏蔽的方式来消除或者抑制由于电场耦合而引起的干扰，使用铜和铝等导电性能良好的金属材料充当屏蔽体，且屏蔽体要保持良好的接地。磁场屏蔽是为了消除或者抑制由于磁场耦合而引起的干扰，一般可以用高磁导率的材料来充当屏蔽体，从而保障磁路的畅通。对于一些电气设备，既存在电场耦合，又存在磁场耦合，例如，变压器、发电机等等，变压器的电磁屏蔽一般采取的是在变压器绕组线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路环，漏磁短路环会产生反磁通来抵消部分的漏磁通，从而使变压器外的磁通减弱。另外，在同轴电缆中，可以在电缆线中设置屏蔽层，防止信号在传输的过程中受到电磁干扰。同时，为了防止电磁干扰发生在通信电缆里面，可以在生产车间的通信电缆外面包裹一层薄膜，这样就能够起到屏蔽外界电磁干扰的作用。需要注意的是，对电磁干扰的屏蔽效果与屏蔽层的数量和每一层的厚度是有很大关系的。

（二）、隔离技术

隔离技术是抑制干扰的有效手段之一，它是指把干扰源与接收系统隔离开来，从而让干扰耦合通道被切断，使得干扰信号无法传输。比较常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。光电隔离需要用到的仪器是光电耦合器，光电隔离借助光作为媒介来耦台隔离两端输入和输出的电信号，它所具有的隔离能力比较强，能够有效地提高电子测量仪器的抗干扰能力；变压器隔离主要用在传输交流信号的过程中，需要用到隔离变压器来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度；继电器隔离主要是利用继电器的线圈来接受电信号，在利用其触电来控制和传输电信号，这样就可以通过不和电产生联系而将强电和弱电分离开来。

（三）、滤波技术

滤波的形式有多种，主要有波形滤波、频率滤波、时间滤波、空间滤波、软件滤波和幅度滤波等。滤波主要是通过挡住噪声，只让有效地信号输出。干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽很多，所以可以采取滤波的方式来抑制干扰。根据滤波器频率的特性，可以将滤波器分为低通、高通、带通、带阻等类型。

（四）、接地技术

为了提高电子测量仪器的抗干扰性能，还可以通过接地技术来实现。接地技术主要是将电路、设备机壳等与大地相连，这样就能够给系统提供一个基准电位。接地可以分为保护接地、屏蔽体接地和信号接地三种类型。通过接地的方式，不仅能够防止设备使用时漏电造成人身安全，还能够有效地抑制干扰。

三、结束语

综上所述，在电气化的环境下，干扰现象时有发生。如果干扰源不能够消失，就需要想办法让其对其他设备的使用造成的干扰降低到最小。通过屏蔽技术、隔离技术、滤波技术和接地技术能够有效地抑制干扰信号的传输，保证电子测量仪器能够在允许的范围内进行参数检测。

参考文献

[1]诸帮田.电子电缆实用抗干扰技术[M].北京：人民邮电出版社，2010