第4章开关量输入输出的隔离技术

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《电力系统微机保护》赵建文、付周兴(习题解答)

第一章微机继电保护概述
第 1 章习题
什么是微机继电保护？电力系统对微机继电保护的要求有哪些？答：微机继电保护装置就是，利用微型计算机来反映电力系统故障或不正常的运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动化装置。电力系统对微机继电保护的要求与传统继电保护的要求一致，即选择性，速动性、灵敏性、可靠性。 2. 简要说明微机继电保护的特点。答：（1）集保护、测量、监视、控制、人机接口、通信等多种功能于一体；代替了各种常规继电器和测量仪表，节省了大量的安装空间和控制电缆。（2）维护调试方便。（3）可靠性容易提高。（4）可以方便的扩充其他辅助功能。（5）改善和提高保护的动作特性和性能。 3. 如何理解微机保护比常规继电保护性能好? 答：（1）逻辑判断清楚、正确。（2）可以实现模拟式继电保护无法实现的优良保护性能。（3）调试维护方便。（4）在线运行的可靠性高。（5）能够提供更多的系统运行的信息量。 4. 相对于传统继电保护，微机继电保护的缺点有哪些？答：（1）对硬件和软件的可靠性要求较高，且硬件很容易过时。（2）保护的内（4）部动作过程不像模拟式保护那样直观。（3）使用者较难掌握它的操作和维护过程。要求硬件和软件有较高的可靠性。（5）由于微机保护装置中使用了大量集成芯片，以及软硬件的不断升级，增加了用户掌握其原理的难度。 5. 简要说明微机继电保护技术的出现及发展与哪些技术有关，为什么？答：半导体技术，电力电子技术，计算机与微型计算机技术、信息技术等。继电保护装置发展初期，主要是电磁性、干硬性继电器构成的我继电保护装置；20 世纪 60 年代由于半导体二极管的问世，出现了整流型继电保护装置；20 世纪 70 年代，由于半导体技术的进一步发展，出现了晶体管继电保护装置；20 世纪 80 年代中期，由于计算机技术和微型计算机的快速发展，出现了微型继电保护装置；电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电力电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展尤为继电保护技术的发展不断注入新活力。 6. 微机保护的发展大体分哪几个阶段，各阶段的特点如何。答：微机保护的发展大体经历了三个阶段：（1）理论研究阶段，主要是采样技术；数字虑波及各种算法的研究。（2）试验室研究阶段主要是微机保护硬件、软件的研究，并制成样机（3）工业化应用阶段 20 世纪 70 年代末，80 年代初，微机保护在电力系统中得到应用，并且发展十分迅速。 1984 年华北电力学院研制的一套微机距离保护通过鉴定。87 年投入批量生产。以后，微机保护发展迅速，90 年华北电力学院研制的 WXB—11 投入运行。现在微机保护已得到广泛应用。

2023年大学_计算机控制技术第二版(温希东著)课后答案下载

2023年计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案下载2023年计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案下载本书全面系统地介绍了计算机控制系统的基本组成和在工业控制中的应用技术，并结合实际深入浅出地介绍了几种典型的控制系统和控制技术。

主要内容包括：计算机控制系统概述、开关量输入/输出通道与人机接口、顺序控制与数字控制、模拟量输入/输出通道、PID调节器的数字化实现、计算机控制系统的抗干扰技术及工业控制微型计算机。

为了帮助读者掌握各部分内容，书中每章后面都附有习题。

本书可作为高职高专院校应用电子技术、自动化、机电一体化、电气工程等专业的计算机控制技术课程的教材，也可作为从事计算机控制工作的工程技术人员的参考书。

计算机控制技术第二版（温希东著）：内容简介点击此处下载计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案计算机控制技术第二版（温希东著）：目录第1章计算机控制系统概述 11.1 计算机控制系统的组成 11.1.1 计算机控制系统的硬件组成 31.1.2 计算机控制系统的软件 41.2 工业控制计算机的特点 41.3 微型计算机控制系统的主要结构类型 51.3.1 计算机操作指导控制系统 51.3.2 直接数字控制系统 51.3.3 监督计算机控制系统 61.3.4 集散型控制系统 61.3.5 现场总线控制系统 71.3.6 工业过程计算机集成制造系统 81.4 微型计算机控制系统的发展 91.4.1 计算机控制系统的发展过程 91.4.2 近年来计算机控制系统在我国的发展趋势 9 习题 13第2章开关量输入/输出通道与人机接口 142.1 过程通道的分类 142.2 开关量输入/输出通道 152.2.1 开关量输入/输出通道的一般结构形式 15 2.2.2 开关量输入信号的调理 162.2.3 开关量输出驱动电路 192.2.4 开关量输入/输出通道的设计 21 2.3 人机接口——键盘 222.3.1 非编码键盘 232.3.2 编码键盘 282.4 人机接口——数字显示方法 312.4.1 发光二极管LED显示 312.4.2 LCD显示接口技术 38习题 81第3章顺序控制与数字控制 833.1 顺序控制 833.1.1 顺序控制系统的类型 833.1.2 顺序控制系统的组成 853.1.3 顺序控制系统的应用领域 853.1.4 顺序控制的应用实例 863.2 数字程序控制 883.2.1 数值插补计算方法 883.2.2 逐点比较法直线插补 893.2.3 逐点比较法圆弧插补 943.2.4 步进电机工作原理 993.2.5 步进电机控制系统原理 1013.2.6 步进电机与微型机的接口及程序设计 103 3.2.7 步进电机步数及速度的计算方法 1083.2.8 步进电机的变速控制 109习题 110[1]第4章模拟量输入/输出通道 1124.1 模拟量输入通道 1124.1.1 输入信号的处理 1124.1.2 多路开关 1134.1.3 放大器 1174.1.4 采样保持器(S/H) 1194.1.5 模/数(A/D)转换器及其应用 1204.2 模拟量输出通道 1284.2.1 DAC的工作原理 1284.2.2 多路模拟量输出通道的结构形式 1304.2.3 D/A输出方式 1314.2.4 失电保护和手动/自动无扰动切换 1324.2.5 DAC的主要技术指标 1324.2.6 典型应用例子 133习题 135第5章 PID调节器的数字化实现 1375.1 PID调节器 1385.1.1 PID调节器的优点 1385.1.2 PID调节器的作用 1385.2 数字PID控制器的设计 1415.2.1 PID控制规律的离散化 1425.2.2 PID数字控制器的实现 1435.3 数字PID控制器参数的整定 1455.3.1 采样周期的选择 1455.3.2 PID控制器参数的整定 146习题 150第6章计算机控制系统的抗干扰技术 152 6.1 干扰信号的类型及其传输形式 1526.2 抗干扰技术 1536.2.1 接地技术 1546.2.2 屏蔽技术 1556.2.3 隔离技术 1566.2.4 串模干扰的'抑制 1566.2.5 共模干扰的抑制 1576.2.6 长线传输中的抗干扰问题 157[1] 6.3 电源干扰的抑制 1586.3.1 电源干扰的基本类型 1586.3.2 电源抗干扰的基本方法 1596.4 CPU软件抗干扰技术 1616.4.1 人工复位 1626.4.2 掉电保护 1626.4.3 睡眠抗干扰 1636.4.4 指令冗余 1646.4.5 软件陷阱 1646.4.6 程序运行监视系统(WATCHDOG) 167 6.5 数字信号的软件抗干扰措施 1706.5.1 数字信号的输入方法 1706.5.2 数字信号的输出方法 1716.5.3 数字滤波 172习题 176第7章工业控制微型计算机 1777.1 工业控制计算机的特点 1777.2 总线式工控机的组成结构 1787.3 常用工控总线(STD/VME/IPC工控机) 179 7.3.1 STD总线工控机 1797.3.2 MC6800/MC68000工控机 1797.3.3 IPC总线工控机 1797.4 IPC的主要外部结构形式 1807.4.1 台式IPC 1807.4.2 盘装式IPC 1817.4.3 IPC工作站 1817.4.4 插箱式IPC 1827.4.5 嵌入式IPC 1837.5 IPC总线工控机内部典型构成形式 1847.5.1 工业控制计算机的组成 1847.5.2 工业控制计算机系统的组成 1857.6 IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍 186 7.6.1 IPC总线工业控制计算机的概念 1867.6.2 工业控制计算机I/O接口信号板卡 187 习题 192附录 ST7920GB中文字型码表 193参考文献 198。

开关量输入输出电路

谢谢观看
只要通过软件使并行口的PB0输出 “0”，PB1输出“1”，便可使与非门 H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器KM被吸合。
在初始化和需要KM返回时，PB0=1， PB1=0
设置反相器B1及与非门H1而不将发光二极管直接同并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，另一方面是因为采用与非门后要满足两个条件才能使KM动作，增加了抗干扰能力。
开关量输入、输出电路
五、开关量输入及输出
基本功能：将测控对象需要的状态信号引入微机系统，并将CPU送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节。
（一）开关量输入电路
包括：断路器和隔离接头等输入、外部装置闭锁重合闸触点接入、装置上连接片位置输入等回路。
对于从装置外部引入的接点，当S1接通时，有电流通过光电掐进的发光二极管回路，使光敏三极管导通。 S1断开时，光敏三极管截止。因此，三极管的导通与截止完全反应了外部接点的状态。
五、开关量输入及输出
（二）开关量输出回路
包括自动装置的跳闸出口及信号，一般采用并行接口的输出来控制有接点继电器。为了提高抗干扰能力，也经过一级光电隔离。
1、安装在装置面板上的接点。包括在装置调试时用的或运行中定期检查装置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。
2、从装置外部经端子排引入装置的接点。如需要由运行人员不打开装置外盖在运行中切换的各种压板、转换开关及其他装置和操作继电器。
五、开关量输入及输出
（一）开关量输入电路
对于装在面板上的接点，可直接接至微机的并行口，只要在可初始化时规定图中可编程的并行口 PA 0 为输入端，CPU就可以通过软件查询，随时知道外部接点S1的状态。

开关量信号的输入输出

§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通道结构 4、注意： P1口可直接输出（锁存器和地址译码电路可省略）最多8个开关量信号。 P0口经锁存电路隔离可接多组8个开关量输出。当驱动小负载时，输出驱动电路可省略。
§4.2 开关量信号的输出
二、开关量输出接口的简单设计 1、P1口开关量的输出练习：通过P1口直接控制8个LED发光二极管，画出硬件电路图，并写出控制发光二极管点亮的指令。
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通道结构 3、各部分作用锁存器：当开关量信号从 P0口输出时，锁存器起到ห้องสมุดไป่ตู้隔离数据总线的作用。常用锁存器如74LS373、 74LS273、74LS377等地址译码控制：锁存器的锁存地址控制输出驱动电路：提高输出开关量信号的输出功率。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接口电路在驱动功率较大的继电器和电磁开关等控制对象，要求提供50~500 mA的电流时，可使用MC1413 （ULN2003）、 MC1416（ULN2004）等达林顿管集成电路。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接口电路若图中继电器需要100mA 吸合电流，则（V+—0.3） /（r+R2）=I=100，其中r 是继电器的线圈内阻，当已知V+时，可求R2 取 MC1413的放大倍数 β=100，P1.0输出电流 =100mA/β=1mA， 1*R1+0.7+0.7+100*R2 =5, 可求R1
§4.2 开关量信号的输出
三、开关量输出的功率接口电路设计 1、小功率驱动接口：

微机保护第四章

（1）对输入采样值的抗干扰纠错
保护装置的模拟输入量之间存在着某些可以利用的规律．例如，三相电流和零序电流之间有：
上式提供了一个判别各采样值是否可信的方便的依据．可以对每一次采样值都进行一次分析，只有在满足公式的前提下才允许这一组采样值保存并提供给CPU作进一步的处理．如果由于干扰导致输入采样值出错，可以取消不能通过检查的采样值，等干扰脉冲过去，数据恢复正常后再恢复工作．这相当于晶体管保护在第一级触发器设置一个延时躲开干扰的方法，不同点是微机保护的延时不是固定的，更加灵活。
（2）程序运行出轨
这是指由于随机干扰破坏了程序执行的正常顺序而造成程序执行卡死的现象．例如，当CPU正通过地址总线送出一个地址以便从EPROM获取指令操作码。如果由于干扰使传送地址出错，它将从一个错误的地址取得一个错误的操作码。如果这个误码CPU不认识，程序运行将发生中断；如果这个错误码是可执行码，那么在执行了一系列非预期指令后往往最终碰到一个CPU不认识的指令操作码而停止工作。由此看出，在程序运行出轨后引起误动作的概率是很小的，但会造成CPU停止执行继电保护的规定任务，再发生系统故障时，保护将拒动。
这样，似乎共模干扰不会侵入微机的弱电系统了，但实际上由于共模浪涌频率高、前沿陡的特点使它可以顺利通过电路的各种分布电容而窜入弱电系统。而浪涌的幅度可能很大，微弱的耦合也可能足以造成微机工作出错．因此除了表中所示隔离措施之外，在保护装置的结构布局方面必须十分谨慎．例如应当将弱电系统的插件远离同外接端子有直接联系的各插件（电压形成回路，开关量输入和输出回路等）．并且装置后底板的配线也应当使强电和弱电严格分开．这样安排后，外接端子所引入的共模干扰浪涌基本上不会通过分布电容影响微机弱电系统的工作。

第四章数字量输入输出通道

（2）输出驱动电路——继电器驱动电路
图为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线Di 输出数字“1”即高电平时，经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。
（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路
交流电源
交流SSR输出波形如下图所示。
波形
过零型导通时间
控制信号
SSR两端的电压在导通
时为0。
非过零型导通时间立即导通
非过零型SSR，加上控制信号便导通
过关零断型时导间相通同时，间在
过零时
（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路
在实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时，一般要远大于实际负载的电流与电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增加阻容吸收组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。
Vc
Di 7406
RL
交
流
电
+ _
～ SSR ～
源
图 4-13固态继电器输出驱动电路
（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路
交流型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。
过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。移相型交流SSR的断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。

第四章提高微机保护可靠性的措施

C3
A
C2 Z1
B
Z2
C
C4 Z3
4-2干扰来源和窜入微机弱电系统的途径
二、防止干扰进入微机保护装置的对策电源零线悬空
+5V
Z1
C1 C2
C5
A
Z2
0V
C3 C4
U2 p (t)
4-2干扰来源和窜入微机弱电系统的途径
二、防止干扰进入微机保护装置的对策减小微型机电路中其它部分同机壳之间的分布电容印制板周围都用电源零线或＋5V线封闭起来；采用多层印制板；注意电源线的走线及接地点的选择，且尽量加粗接地线。
4-2干扰来源和窜入微机弱电系统的途径
4、干扰对微机保护装置的影响程序运行出轨随机干扰因素破坏了程序执行正常顺序而造成程序执行卡死的现象。读取的操作码CPU不能识别。读取的操作码是可执行码，但是一个非预期指令。保护拒动
4-2干扰来源和窜入微机弱电系统的途径
二、防止干扰进入微机保护装置的对策接地的处理。屏蔽与隔离。滤波、退耦与旁路。供电电源。合理地分配和布置插件。
直流输入脉动直流稳恒直流输出
逆变器
交流
变压器
整流
开关稳压器
滤波器
合理地分配和布置插件
4-3 抗干扰措施
第一道防线：硬件抗干扰措施。 • 各种隔离、屏蔽、合理布局和配线，以及减弱电源线传递干扰等方法。这些措施够不够？第二道防线：软件抗干扰措施。
4-3 抗干扰措施
1、对输入采样值的抗干扰措施 • 利用某些模拟输入量之间存在的一些规律。如： i (t ) + i (t ) + i (t ) = 3i (t ) a b c 0
4-1概述

单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离

空间电磁辐射干扰
周围空间中的电磁场对信号线的电磁感应干扰。
接地系统干扰
由于接地不良或地线配置不当导致的地线噪声干扰。
信号传输线干扰
信号传输线上的外部干扰信号通过电感和电容耦合引入。
开关量输入通道隔离技术
01
光耦隔离
利用光耦器件将输入和输出电路隔离，以减小干扰信号的影响。
变压器隔离
利用变压器原理实现输入和输出电路的隔离，降低共模干扰。
单片机在工作过程中，其电路板和元件会受到周围空间电磁辐射的影响，导致信号失真和噪声干扰。
接地系统干扰
接地系统不良或不合理，会导致信号接地电位不均，产生电位差，从而引入干扰信号。
开关量输出通道隔离技术
光耦隔离
光耦隔离是利用光耦合器的工作原理，将单片机开关量输出信号通过光耦隔离器进行隔离，以减小外界干扰对输出信号的影响。
03
02
继电器隔离
通过继电器触点实现输入信号的电气隔离，提高抗干扰能力。
运算放大器隔离
通过运算放大器将输入信号进行放大和隔离，提高信号质量。
04
开关量输入通道隔离的实现方法
选择合适的隔离器件
根据应用需求选择适合的光耦、继电器、变压器或运算放大器等器件。
正确连接隔离器件
按照隔离器件的连接方式，正确接入输入和输出电路。
单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离
contents
目录
• 单片机抗干扰技术概述 • 单片机开关量输入通道隔离 • 单片机开关量输出通道隔离 • 单片机抗干扰技术的实际应用
01 单片机抗干扰技术概述

干扰的定义与影响
定义
干扰是指对系统正常信号的扰动或破坏，导致信号失真、畸变或阻塞。

单片机抗干扰技术(4) 开关量输入输出通道隔离

极限条件
18
推荐的使用条件二极管侧
参数输入电流反向电压工作温度符号 IF VR TOPR 符号 Ic VCEO -25 最小值 min — — 典型值 Typ 1 55 最小值 min — 典型值 Typ 16 5 85 最大值 Max 10 最大值 Max 50 单位 mA V ℃
输出侧
16
使用光电隔离器件的注意事项
要注意不要超过期间的极限参数。以三极管输出隔离器件为例。通过查询它的技术说明书，可以获得使用参数，主要参数包括发光二极管侧的输入电流，反向电压等；输出侧：C-E结电压、集电极最大电流隔离电压电流传输比等例如以TLP521-1为例。尽量在推荐条件下使用
17
使用继管。继电器输出也可
以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易
产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可
采用阻容电路予以吸收。
42
继电器式开关量输出
43
带光电隔离的继电器输出接口电路
图2.11 继电器式开关量输出
44
④ 可控硅输出
25
③输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。
26
④ 输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时（IF=0）, 流经输出端元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型（1）一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的启动与停止、触点的接通与断开。（2）成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。（3）数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。

开关量隔离器原理

开关量隔离器原理开关量隔离器是一种用于电路隔离和信号转换的重要装置。

它可以将一个电路的信号隔离开来，不同电路之间的信号不会相互影响，从而保证了电路的稳定性和安全性。

本文将从以下几个方面对开关量隔离器的原理进行详细的介绍。

一、什么是开关量隔离器开关量隔离器是一种基于继电器、光电或半导体器件的隔离电路，在工业自动化中广泛应用。

它通过输入端的信号状态控制输出端的信号状态，起到隔离和转换信号的作用。

一般来说，开关量隔离器能够分为两种类型：电隔离和光隔离，其中电隔离使用的是继电器，光隔离使用的是光电耦合器或固态继电器。

二、开关量隔离器的作用开关量隔离器的作用在于隔离和转换信号。

在多电路控制系统中，为了保证各个电路的安全和稳定，需要对它们进行分离，以免电路之间相互影响。

隔离器通过实现这种分离，使每个电路都能够独立地进行控制和监测，避免了混乱和危险的产生。

此外，开关量隔离器还可以实现信号的转换，将信号转化为合适的形式，以满足其他电路的需求。

三、开关量隔离器的工作原理开关量隔离器的工作原理是将输入端的信号分离开来，并在输出端重新产生一个与输入端电压等效的信号。

在电隔离器中，继电器负责完成输入端和输出端之间的开关控制。

继电器内部包含两个线圈，通过这两个线圈可以实现输入端和输出端之间的电隔离。

在光隔离器中，光电耦合器或固态继电器被用来隔离输入和输出端之间的电路，进而保证电路的稳定性和安全性。

四、开关量隔离器的优缺点开关量隔离器的优点主要在于其能够保护电路的稳定性和安全性，避免电路之间相互干扰和故障的发生。

此外，开关量隔离器使用方便，可靠性高，使用寿命长。

相对地，其缺点在于其成本较高和性能不够优越的情况下对系统性能会产生一定的影响。

综上所述，开关量隔离器作为一种重要的隔离电路，在电气自动化领域中发挥着重要作用。

其原理和工作方式已经非常明确，对于工程实践具有非常明显的指导意义。

我们期望随着技术的不断进步，开关量隔离器能够不断改进其性能和使用范围，为自动化控制系统的稳定性和安全性贡献更多的力量。

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GNDX
图4.2
基本的光隔电路（a）
Hale Waihona Puke 基本的光隔电路（二）（1）此种接法更为常用（2） VCCX=+5V时， R4去掉 VCCX=+12V时，R4取6.8K(或改用ULN2004） VCCX=+24V时，R4取20K(或改用ULN2002）
VCC
ULN2003 R3
VCC X
IN1
TLP521
R4
图4.4 TLP521的负载电阻对开关时间的影响
2、高频脉冲的隔离
对波形要求较高的场合，应使用高频特性好的光隔如4N25(300KHZ)、4N35(300KHZ)、6N136(2MHZ)
4N35
6N136
光敏二极管的开关时间通常比光敏三极管小
负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到500Ω。带基极引脚的光耦，其基极应使用一电阻接到集电极，阻值以50kΩ到100kΩ为佳。如省略该电阻，则开关时间会大4~5倍，则开关频率就降低4~5倍。不应该省略该电阻。
5mA时工作频率最高
高频逻辑门专用隔离电路
简单化是逻辑电路在6N136的基础上，将输出电路做成与TTL 兼容的标准逻辑电路，这就是6N137 ， 6N137典型应用
图4.18 6N137典型应用电路(单路）
► 直接逻辑输入/逻辑输出的隔离器件
（1）输出＋3.3V,+5V,TTL/CMOS兼容，注意使能端
第四章开关量输入输出的隔离技术
开关量的输入输出隔离主要有两个目的：电气隔离，防止被隔离两边的电噪声干扰；电平转换，两边的工作电平、电源电压、信号极性都可以不同。
4.1开关量输入端隔离
开关量的输入隔离一般使用光电隔离器件。可以使用的光电隔离器件很多，有许多器件性能相近，普通开关量的输入隔离使用TLP521-X即可
1、RS-422/485隔离芯片
典型芯片及用途隔离收发器
MAX1480——用于RS-485半双工网络
MAX1490——用于RS-422全双工网络 MAX3157——全双工或半双工，但不是真正的隔离
MAX3157的使用方便，仅需提供两个0.047μF的隔离电容。器件的隔离电压为±50V。为保证该隔离电压，要求隔离电容的耐压必须高于50V。该器件可以通过引脚选择工作在半双工方式或全双工方式，更重要的是器件可以选择反相输出，当信号线正反接反时，可以自动倒相
（3）ISO1001——光电耦合
（1）AD202 :2端口，隔离电压2000V
图4.13
低成本线性隔离放大器AD202
采样/保持电路对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起来，保持不变。但在转换之后，又要求A/D转换器的输入端能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样/ 保持电路，简称采/保(S/H)。
图4.5 4N35负载电阻及基极-发射极电阻对开关时间的影响
影响工作频率的因素：（1）负载电阻，越小，开关速度越快,最好不小于1000Ω （2）基极电阻，一般取50KΩ~100KΩ
VCC VCC X R3 550Ω
R1
4N35 LED+ LEDNC B C E GNDX
R1 100k
DIN
7406
低电池电压检测输出
图4.9 MAX639/MAX640/MAX653的电路连接
适于A/D转换器或模拟放大器使用的，通常是双电源输出型。MAX743可提供±12V或±15V的对称电压，MAX743的最大电流可达±100mA，图中两个电感100μH、两个电解电容100μF和两个肖特基二极管1N5817
出功率标注 );3)再次要注意器件输出电压是否已经过稳压，经过稳压的输出波纹有多大
（3）尽量选用经稳压的。稳压输出的DC-DC变换器的输出电压稳定度通常优于
1%，交流波纹电压也很小，一般情况下可以直接使用。
使用DC-DC变换器模块非常方便，仅需在输入、输出端加上适当的滤波电容
滤波电容的选取
Vin Cin GND Cout
1、廉价实用的TLP521-X
工作频率不高，一般限制在 10KHZ以内
TLP521-1
TLP521-2 TLP521-4
图4.1 TLP521的各种封装及引脚排列
A图输入高电平，输出高电平，输入低电平，输出低电平； b图输入高电平，输出低电平，输入低电平，输出高电平
图4.2 基本的光电隔离电路
基本的光隔电路（一）
输出：－5V 输出：－15V
-15V输出可给LCD提供负偏置电压
单电源输出变换器
双电源输出变换器
BUCK 降压型是指输入电压大于输出电压如12V->5V BOOST 则反之 5V->12V 单电源变双电源4.2V~10V直流电源变成双±12V， ±15V直流电源
（1）MAX742 输入：4.2V~10V （2）MAX743 输入：5V 输出： ±12V， ±15V, ±100mA 输出：±12V， ±15V, ±2A
（2）工作频率可达100M波特
（3）隔离电压高达2500V
图4.21 单路
► 直接逻辑输入/逻辑输出的隔离器件
图4.21 单路
三种器件的性能指标均相同，仅输入、输出端口的方向不同
图4.22 三种器件输入/输出的方向
4.4
（1）R1可按驱动电流5～10mA, 选择驱动发光二极管的驱动器件任意，只要能保证长时间提供5~10mA电流即可（2） R2可取2.2K~10K，太小则电路功耗增大，太大则抗干扰能力减弱，且关断时输出端的上升速度将减慢, VCCX=+5V时，R2可取3.3K
VCC VCC X
R1
R2
DOUT
IN1 TLP521
_
最基本的采/保电路由模拟开关，保持电容和缓冲放大器组成
Vi
S
CH
Vc
+
A
VO
图8-38 采样/保持器原理图
增益1：1
反相输入
同相输入
（2）AD210:
3端口，宽频带隔离放大器，频率20Hz、隔离电压2500V、输出阻抗低可提供±15V电源（5mA）
供电 15V 图4.14 AD210结构框图
MAX743的最大电流可达±100mA，而 MAX742的最大电流则可达±2A
集成运算放大器、AD转换器常用双电源
ICL7660(A)提供从 1.5V到10.0V的互补电压，以电荷泵原理工作，需外接泵电容两个。泵电容通常选用10μf的电解电容。7脚为振荡器输入，不接时使用内部振荡器。也可外接电容以降低振荡频率。降低振荡频率时泵电容的容量应加大，加大到100μf可保证任何振荡频率都能正常工作(最低1kHz)。 6脚为低压调整端。当工作电压低于3.5V时，6脚应接地，否则浮空。
+VOUT 100uf,25V -VOUT
5V~12V:Cin 100uf,25V
24V~48V:Cin 10uf,100V
器件功率增加时，输入、输出电容应相应增大。无稳压输出的DC-DC变换器使用时必须注意：负载电流不可小于额定电流的20%，不足时应加装假负载(功率足够的电阻)。
4.3专用隔离芯片及模块
（1）ICL7660 Intersil公司输出：1.5V~10V （2）MAX640/MAX848Maxim公司输入：5V 型应用为给低电压器件供电（3）MAX735 （4）MAX737 输入：4V~6.2V 输入：4V~8.6V
输：互补电压输出：3.3V,典
（通常为正电压入、负电压出) 主要用于单电源供电的A/D转换场合
DOUT
74LS14
图4.6 可以工作到115.2波特的光隔电路
（1）VCCX取5V时，负载电阻R3应取2.2KΩ~3.3KΩ
（2）74LS14用于整形，为保证输出波形为理想的方波，防止出
现干扰脉冲等非正常情况的发生，输出端使用施密特触发器对波形整形
VCC VCC X 6N136
R1
R3 2.2KΩ
共模抑制比(放大器输出功率与输入功率比值的对数，用以表示功率放大的程度。亦指电压或电流的放大倍数,通常以分贝(dB)数来规定。)高 130db，信号最高频率5KHZ
供电电压15V，可提供±7.5V电源(0.4mA/2mA) （2）MAX210(三端口宽频带隔离放大器 )——3端口，变压器耦合隔离电压高达2500V 共模抑制比高120db,信号最高频率可达20KHZ 供电电压15V, 可提供±15V电源（5mA）
图4.8 ICL7660的泵电容连接
低电压器件供电器件工作时需在输出端增加三个元件：一个二极管、一个电感、一个电解电容。为使器件能提供最大输出电流，电感应选用100μH，电容应选用100μF，二极管可以使用常用的1N5817或相当的肖特基二极管。
输出电压5V/3.3V/3V
低电池电压检测输入
图4.10双电源输出变换器MAX473的基本应用电路
2、隔离变压器型DC-DC变换
体积通常相对较大
Vin Cin GND
DC-DC变换器通常使用高频变压器(2~5kHz)隔离，再作整流及稳压器件
+VOUT Cout 100uf,25V -VOUT
图4.11 DC-DC变换器模块的使用电路（1）固定电压输入（用于信号隔离）宽电压输入（用于未经稳压的输入电压）（2）选取器件:1)根据输入、输出电压选取器件;2)输出电流应按系统最大工作电流的1.2～1.5倍计算需要的功率，根据功率选用 (DC-DC变换器通常以输
3、高频逻辑门专用隔离电路
特点及常见模块
（1）输入电流仅需5mA（有的更低），OC门输出，通信速率可达10M波特以上，有极高的抗共模干扰性能和极高的隔离耐压