光耦隔离放大电路课程设计.doc

隔离放大电路的设计1 设计主要内容及要求1.1 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）tpd<100s；（2）幅度分段可调；（3）其他。 中 文 摘 要本次模拟电子课程设计的题目是隔离放大电路，实际上是对光耦的延伸，主要工作部分是一个光电耦和器对运算放大电路的控制, 光电耦合器是一种可把电信号转换成为光信号，然后又将光信号恢复为电信号的半导体器件，它属于一种电光电转换器件。其基本结构是将光发射器和光敏接收器装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。常见的光发射器为红外发光二极管，其引脚作为输入端，用晶体管图示仪可观察到其特性曲线与一般二极管相似。光敏接收器为光敏二极管或光敏三极管，其引脚作为输出端。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发光，其发光的强弱与信号电流成正比，亦即与流过二极管的正向电流的大小成正比，输出端的光敏三极管受到光照后CE导通。而当输入端无信号时，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。从而实现了光电的传输和转换。随着各类电气设备控制电路的日益复杂，各功能电路之间的干扰不可避免。而光电耦合器的输入端和输出端之间由于通过光信号来传输，因而两部分电路之间在电气上是完全隔离的，因而没有电信号的反馈和干扰，故其性能稳定，抗干扰能力很强。一般情况下，电路间数字信号的传输，都可以使用光电耦合器进行彻底隔离。 关键词 隔离放大器 光耦 电流负反馈放大电路 电压跟随器 目 录课程设计（论文）任务书.I课程设计（论文）成绩评定表.中文摘要.IV1设计任务描述 .11.1 设计题目 .11.2 设计要求 .11.2.1 设计目的 .11.2.2 基本要求 .11.2.3 发挥部分 .12 绪论 .23 基本框架.34 模块细节及各部分电路设计.54.1各部分电路设计.54.2电流负反馈放大电路的参数计算.75 系统仿真运行电路及错误解决.96 元器件清单.147 主要元器件介绍.15小结. .19致谢.20参考文献.21附录.22A1 multisim仿真系统电路接线图.22 设计任务描述1.1 设计题目： 隔离放大电路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）tpd<100s；（2）幅度分段可调；（3）其他。绪论在工业自动化检测、计算机数据采集系统、测量仪表等诸多工业测量中, 需要解决的一个共性问题就是工业现场模拟信号采集过程中的抗干扰问题。解决模拟信号通道干扰的一个有效方法是采用模拟信号隔离技术, 也就是设法将干扰信号源与测量系统隔离, 仅允许被测量信号进入测量系统。光耦的主要作用就是隔离作用，如信号隔离或光电的隔离。当两个不同的型号的光耦只有负载电流不同时，可以用大的负载电流的光耦代替小负载电流的光耦。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，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。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、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。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。光耦对于输入的电流有一定的要求，当达到二极管发光电流时，光耦才能正常工作，而在通常的电源信号输入光耦时，会有电源信号的不稳定造成光耦的工作性能差，影响而机关的发光电流。为了解决这一问题，在本电路设计中，我在电源信号输入光耦前加一电流负反馈放大电路，经过电流负反馈，将输入光耦的电流通过调节达到发光电流，再输入光耦，这样就能使光耦在正常的工作环境下进行工作，从而起到隔离作用。 基本框架隔离放大电路组成方框图：电流负反馈放大电路TLP521光耦电压跟随器输入 输出光耦隔离放大电路工作原理：将信号源输入电流负反馈放大电路，将输入电流调整到光耦器中LED的额定发光电流范围之内，通过负反馈可以将电流保持在一定的范围内，使得输入信号达到稳定，LED达到它的发光电流开始发光，将电信号转化为光信号，通过光感应器的接收，再将光信号转化为电信号输出，实现电光电的转化，从而起到隔离的作用，在输出端，通过电压跟随器的作用，将输出电压维持输出时的值，输入给下一级电器。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，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。TLP521光耦工作原理： TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If越大，光越强，副边三极管的电流Ic越大。副边三极管电流Ic与原边二极管电流If的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。作反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。如图1，一个光控晶闸管（photo-thyristor）耦合（couple to）一个砷化镓（gallium arsenide）红外发光二极管（diode）组成。左边1和2脚是发光二极管，当外加电压后，驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，以此 来触发光控晶闸管。光控晶闸管的特点是门极区集成了一个光电二极管，触发信号源与主回路绝缘，它的关键是触发灵敏度要高。光控晶闸管控制极的触发电流由器 件中光生载流子提。光控晶闸管阳极和阴极间加正压，门极区若用一定波长的光照射，则光控晶闸管由断态转入通态。为提高光控晶闸管触发灵敏度，门极区常采用 放大门极结构或双重放大门极结构。为满足高的重加电压上升率，常采用阴极发射极短路结构。小功率光控晶闸管常应用于电隔离，为较大的晶闸管提供控制极触 发；也可用于继电器、自动控制等方面。大功率光控晶闸管主要用于高压直流输电。【1】当1和2脚加上电源信号后，就能使发光管发光，驱动光控晶闸管进入通态，当1和2不加电压时，可以看成一个无穷大的电阻。 图1.TLP521光耦 模块细节及各部分电路设计及参数计算输入电流部分：通过函数信号发生器给电路输入方波信号，如下图所示：将信号传输给负反馈放大电路，使输入光耦的电流达到二极管LED的发光电流，I=16mA25mA。4.1各部分电路设计：负反馈放大电路部分电路图：方波信号输入运算放大器输出的电流进入TLP521，经隔离电路进入电压跟随器，TLP521光耦部分电路：电压跟随器部分电路：测得输出电压为则输入的电流应为此电路传输比为4.2电流负反馈放大电路的参数计算： 图 电流负反馈放大电路【2】 图中输出通过负反馈的作用，使自动地跟踪， 即，或0。这种现象称为虚假短路，简称虚短。由于运放的输入电阻很大，所以，运放两输入端之间的 () / 0，这种现象称为虚断。 根据虚短和虚断的概念有， 0 系统仿真运行电路及错误解决初始时multisim仿真系统电路接线图：给定输入信号为方波，幅度1V，频率100Hz40kHz，我选择了频率，如下图所示输入信号：按此电路图的接法进行计算输入电流的大小：输出波形如下图：由图中可以看出，输出电压明显小于输入电压，没有达到隔离放大的效果，输出信号幅度低于3V，原因在于给光耦的输入电流过小，使得TLP521光耦没能处于它的工作电流范围之内，LED不能正常的发光，造成输出信号的变小。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发光，其发光的强弱与信号电流成正比，亦即与流过二极管的正向电流的大小成正比，输出端的光敏三极管受到光照后CE导通。而当输入端无信号时，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。从而实现了光电的传输和转换。为了能使LED发光正常我把电路中的的阻值改小，使得输入光耦的电流能达到它的额定工作电流范围之内，使输出信号幅度不低于3V，达到课设的要求。改变阻值后multisim仿真系统电路接线图：继续给定输入信号为方波，幅度1V，频率100Hz40kHz，选择频率，计算输入光耦的电流：此时的输出波形为：从这个图看到输出的波形与输入的波形之间构成了倍数关系，达到了使输出信号幅度不低于3V的要求，而且tpd<100s。如果改变输入信号的频率，将频率改为1：输出的波形的宽度将发生变化，及延迟时间比原来减小：这样的结果更能很好地达到要求，使得tpd<100s。元器件清单器件名称型号及规格数量函数信号发生器XFG11个泰克示波器XSC11个 光耦TLP5211个 模拟器3554SM2个电源VCC 6V1个电阻30k2个电阻501个电阻3001个主要元器件介绍 耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦，是开关电源电路中常用的器件光电耦合器是一种可把电信号转换成为光信号，然后又将光信号恢复为电信号的半导体器件，它属于一种电光电转换器件。其基本结构是将光发射器和光敏接收器装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。常见的光发射器为红外发光二极管，其引脚作为输入端，用晶体管图示仪可观察到其特性曲线与一般二极管相似。光敏接收器为光敏二极管或光敏三极管，其引脚作为输出端。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发光，其发光的强弱与信号电流成正比，亦即与流过二极管的正向电流的大小成正比，输出端的光敏三极管受到光照后CE导通。而当输入端无信号时，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。从而实现了光电的传输和转换。【3】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，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。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、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。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。 TLP521 是可控制的光电耦合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。 集电极-发射极电压： 55（最小值） 经常转移的比例： 50 （最小） 隔离电压： 2500 Vrms （最小）图1 TLP521 光藕内部结构图及引脚图Recommended Operating Conditions建议操作条件：Characteristic 参数Symbol 符号Min最小Typ典型Max最大Unit单位Supply voltage 电源电压VCC_524VForward current 正向电流IF_1625mACollector current 集电极电流IC_110mAOperating temperature 操作温度Topr-25_85TLP521的Ic-Vce曲线：TLP521相关参数：光耦的作用由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合： (1) 在逻辑电路上的应用 光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。 (2) 作为固体开关应用 在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。 (3) 在触发电路上的应用 将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。 (4) 在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。 (5) 在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。 (6) 特殊场合的应用 光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。 【4】小结 通过为期一周的模电课程设计,让我们对隔离放大电路的作原理以及它的要求和性能指标有了更深入和细致的了解。与次同时，此次课程设计也让我们充分地认识到我们在学习这门课程中存在的不足之处。从刚刚开始的无从下手到掌握基本的电路模型，到绘制出基本电路，再到元器件的选定以及其参数的确定,这让我明白了，在这门课程上我还有很大的不足。 通过对隔离放大电路的设计，我深刻认识到了“自己动手学习”重要性。对于我们来说，隔离放大是一个完全陌生的题目，经过老师的提点,我们知道了应该从光耦入手，因此我们不仅去图书馆寻找，也通过网络寻找。渐渐的我也能懂得电路构建的原理，同时我们也通过网络寻找到一些有关的图，经过改造我们的电路图也基本出来了。我们试着慢慢变换参数，终于在我们的共同努力下，出现了我们想要的波形。通过这次的课程设计，我才学会了怎样对书本有更深入的了解，怎样把理论与实践更好地联系起来,也让我把所学的模拟电子知识得到了运用，让我的学习能力和设计能力都有了更进一步的提高。在这次课程设计过程中，我遇到了几个自己不能解决的问题，通过老师和同学的帮助最终把问题解决，在此，我也看到了自己的一些不足之处，这让我明确了今后的努力方向。这次实训任务是我和其他三名组员共同完成的，这也让我体会到合作的重要性。我们四个人共同努力,一起讨论问题，一起研究程序，一起解决问题。从一片空白到最后基本完成任务，我们都在尽着自己最大的努力。这次课程设计不仅仅是对学习内容的考察，同样也锻炼了我们的办事能力，以及团体合作的配合度。很庆幸能有这样一次课设的机会，让我学尝试了理论与实际的结合，让我学到了很多知识，让我认识到了自己的不足，让我明确了努力的方向。在以后的学习生涯中我会不断的完善自己，用更多知识来丰富和充实自己，这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。在老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！致谢 结束了为期一周的模拟电子课程设计，我们能够在这么短的时间里顺利地完成隔离放大电路的设计，得益于老师的指导和帮助，也有同学的互助和自己的辛苦努力。团队的力量是必须的，领头的更是作用更大，同组之间是团队，黄硕老师就是我们大家的领头。在这周的课程设计过程中我们遇到了很多的困难，开始的时候甚至都不知道从哪里着手，是老师的指导让我们对所设计的课题有了基本的了解，并且在我们没有思路的时候给予我们更好的建议，使我们不仅顺利的完成了课程设计要求的内容，而且还对书中内容有了进一步的认识与理解。在设计过程当中我们同一组的同学也曾因课设问题的讨论而争得面红耳赤过，但最后大家还是共同努力将课设的任务顺利完成，不论怎么样我们的学习成果是通过本组员的共同努力，互相配合才得以牢记于心，大家集思广益，各抒己见，因为发现问题才会有争执，也是因为发现问题，最终才能顺利解决问题，才能在很短时间内成功的完成设计任务。在此对组员的默契配合表示真挚的感谢。 最后感谢学校给我们提供这种独立自主研究性学习的机会，充分开发了我们的创新能力。 参考文献 【1】 康华光 电子技术基础（模拟部分） 北京： 高等教育出版社 Page336 图7.2.3 【2】.  电子元器件应用  作 者：何建新，黄丽 黄冈职业技术学院【3】 www,dz3w.com【4】 http/www.Baike.baidu.com附录A1 multisim仿真系统电路接线图: