模擬量及數(shù)字通信隔離電路

徐東明,王綿綿

（長春理工大學(xué),130022）

模擬量及數(shù)字通信隔離電路

徐東明,王綿綿

（長春理工大學(xué),130022）

自動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對模擬量的集中輸入或集中輸出及通過RS-485總線的主從式控制。如果不加以隔離，整個系統(tǒng)共用一個地，系統(tǒng)將工作在非常不穩(wěn)定的狀態(tài)，存在一定的安全隱患。本文介紹的模擬及數(shù)字通信隔離電路可以根本上解決上述問題。

模擬量隔離;通信隔離;RS-485

0 引言

隨著計算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。集散控制系統(tǒng)經(jīng)常地需要把不同的模擬量集中到一個采集單元或者把一批模擬量輸出到各個不同單元使用，也經(jīng)常地采用主機(jī)通過RS-485對下位機(jī)進(jìn)行巡檢，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布范圍廣，接地的問題非常突出，如果整個分布式電路共地，會有很大的風(fēng)險，輕則抗干擾能力降低，嚴(yán)重情況下會造成系統(tǒng)不能夠進(jìn)行通信甚至整個系統(tǒng)的損壞，因此，對模擬量及數(shù)字量進(jìn)行隔離非常必要。

實現(xiàn)電的隔離基本上有磁隔離和光隔離兩種方法，而磁隔離由于使用銅及鐵芯體積笨重且不能實現(xiàn)直流信號傳輸?shù)娜秉c而很少采用，因此信號隔離基本上采用的都是光隔離方法。下面分別介紹采用光電耦合器實現(xiàn)的模擬及數(shù)字通信兩種隔離電路。

1 模擬量隔離電路

模擬量隔離電路如圖1所示，是一個電壓到電壓即V-V隔離電路。電路左半部分由VDD1供電，隔離的另一端由DC-DC模塊隔離供電。模擬電壓由AIN輸入，運放U1對輸入模擬量正向跟隨，輸出通過1k電阻R8限流驅(qū)動U2、U3兩個光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)光，其反饋端接U2的三極管端發(fā)射極。模擬信號AIN輸入信號越大，U1輸出電壓越大，U2、U3的內(nèi)部發(fā)光管發(fā)光越亮，其內(nèi)部的光電三極管導(dǎo)通電阻越小，流經(jīng)電阻R8的電流越大，R8上的電壓越大，運放V-的電壓越大，因此可以看出這是一個負(fù)反饋。由于這個反饋回路包含了光耦U2，由于光耦的滯后，會使運放負(fù)端的電壓滯后從而使輸出可能出現(xiàn)振蕩，因此加入1000p積分電容C2使輸出保持穩(wěn)定。

U2的發(fā)射極電壓和AIN相等，U3由于和U2參數(shù)基本相同，因此其發(fā)射極電壓和U2發(fā)射極電壓也相等，也將等于AIN，因此實現(xiàn)了電壓隔離。一般該電路能夠達(dá)到5‰的精度，滿足一般要求。

運放U1的輸出電流為AIN/R8，如果AIN的輸入電壓為0-5V，則運放的輸出電流為0-5mA，如果輸入電壓范圍較大，可以適當(dāng)把電阻R8及R9改大些。

電壓輸出部分如果配合上如圖2所示的電壓-電流變換電路，可以變成電流源遠(yuǎn)程傳送出去。圖2中，電流輸出值等于V_ IN與電阻R7的比值，如果V_IN的輸入范圍為0-5V，則電流輸出為0-20mA。

圖1、模擬量隔離電路

圖2電路可以用于諸如變頻器的頻率控制。

圖2 、電壓-電流變換電路

DC-DC模塊的選型也需要加以注意，如果模擬電壓AIN的范圍為0-10V，由于一般通用運放輸出電壓比供電電壓小1.5V左右，因此需要DC-DC模塊有12V的輸出電壓。整個電路由于工作電流在20mA以內(nèi)，因此DC-DC的功率選擇1W的即可。

2 RS-485通信隔離電路

RS-485通信隔離電路如圖3所示。其中U1對TXD發(fā)送信號隔離，U2對RXD接收信號隔離，U3用來實現(xiàn)RS-485信號的輸入與輸出控制。由于TXD及RXD的工作速度較快，因此U1、U2選擇高速光耦6N137，而方向選擇由于對速度要求不高而采用普通的光耦PC817。

電路的左側(cè)由嵌入式系統(tǒng)供電，供電電壓為5V。右側(cè)可以由主機(jī)統(tǒng)一供電，VDD2的供電電壓建議使用12V，采用三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)定到5V（VCC2）供6N137及MAX485使用。由于該電路耗電電流只有30mA左右，因此主機(jī)即使為20個從機(jī)通信電路供電，其耗電也只有600mA左右，采用5類網(wǎng)線即可滿足要求。如果要進(jìn)一步降低功耗，可以把三端穩(wěn)壓器LM7805改換為LM2576等開關(guān)穩(wěn)壓電路，電流值粗算一下即可以降低一半。

當(dāng)左側(cè)從機(jī)工作在接收狀態(tài)時，SELECT信號輸出高電平，U3的發(fā)光端不發(fā)光，因此U3的光電三極管截止，發(fā)射極電壓由于4.7k電阻R11的下拉作用接近0V，MAX485處于接收狀態(tài)。如果主機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)出，則U4的1腳有信號輸出，驅(qū)動光耦U2使RXD得到信號輸出。

當(dāng)左側(cè)從機(jī)工作在發(fā)送狀態(tài)時，SELECT信號輸出低電平，U3的發(fā)光端發(fā)光，從而U3的光電三極管導(dǎo)通，發(fā)射極將有接近5V的電壓輸出，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)。接下來如果從機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)出，則TXD信號通過U1的隔離，TXD2腳有信號輸出，進(jìn)而驅(qū)動U4使TXD信號變成差動信號傳送給主機(jī)。

由于6N137有高達(dá)10kV/uS的擺率，因此可以完全滿足串行通信的要求。需要注意的是PC817的上升時間有幾十微秒，從機(jī)需要選通后延遲該時間才能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

事實上U3也不適合用6N137來代替，因為6N137是集電極開路（OC）輸出，工作時需要上拉電阻，平時工作時，從機(jī)需要使該光耦導(dǎo)通才能工作在接收狀態(tài)，如果出現(xiàn)從機(jī)斷電等問題，將占用RS-485總線妨礙總線數(shù)據(jù)通信，這將對系統(tǒng)帶來很大不便。

發(fā)光管D1及LED2分別對從機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)進(jìn)行指示。電阻R3、R4及R5用來使RS-485總線有一個上拉作用，使總線增加抗干擾能力，如果總線上通信設(shè)備不多，可以適當(dāng)降低R3的阻值，使總線上的阻抗進(jìn)一步降低，進(jìn)一步提高抗干擾能力。

3 結(jié)束語

模擬信號及數(shù)字信號隔離應(yīng)用十分廣泛，而模擬信號隔離與數(shù)字信號隔離比較難度會大些。本文介紹的模擬信號隔離精度雖然可以達(dá)到0.5%，滿足一般要求，但對于精度要求比較高的場合，可以采用數(shù)字通信辦法加以實現(xiàn)，即采集方通過ADC采集數(shù)據(jù)，通過隔離的數(shù)字通信傳送給接收方，接收方把接收到的信號直接存儲顯示或通過DAC變成模擬量。

[1]康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分(第五版)[M].高等教育出版社.2006

[2]康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部分(第五版)[M].高等教育出版社.2006

Analog and digital communication isolation circuit

Xu Dongming,Wang Mianmian
（Changchun University of Science and Technology,130022）

In the automatic control systems,we often need centralized input or centralized output of analog and Master-Slave control through RS-485 bus.If the whole system share a common ground without isolating,the system will work in a very unstable state and are safety risks.The analog and digital communication isolation circuit introduced in this article can fundamentally solve the above problems.

analog isolation;traffic isolation;RS-485

圖3 、RS-485通信隔離電路