光電隔離技術(shù)精選(九篇)

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第1篇：光電隔離技術(shù)范文

【關(guān)鍵詞】漏電流；SPWM；SVPMW；共模電壓；單極性；雙極性

1 光伏逆變器漏電流形成原因及其危害

如圖1所示的三相全橋逆變系統(tǒng)主電路原理圖，由于光伏陣列占地面積較大，電池的正負(fù)極和大地之間存在較大的寄生電容，有相關(guān)文獻(xiàn)指出晶體硅光伏電池的寄生電容約為50-150nF/kW，薄膜光伏電池約為1uF/kW，Cpv1，Cpv2表示電池正負(fù)極對(duì)大地的電容， 表示三相電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)的接地阻抗，對(duì)于不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式是不同的，對(duì)于中性點(diǎn)直接接地的 ，對(duì)于中性點(diǎn)不接地的 。在這里忽略電網(wǎng)的地與光伏陣列的地之間的阻抗。

地電流的存在會(huì)造成電網(wǎng)電流畸變，電磁干擾，系統(tǒng)的額外損耗，以及人身安全隱患，德國(guó)DIN VDE-0126-1-1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)?shù)仉娏鞲哂?00mA時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須在0.3s內(nèi)從電網(wǎng)中切除，國(guó)內(nèi)金太陽(yáng)認(rèn)證也有類似的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)出于對(duì)安全的考慮，通常在光伏電池和電網(wǎng)之間插入變壓器作為電氣隔離，阻斷漏電流回路。但隔離變壓器增加了系統(tǒng)的重量，體積和成本，降低了整體效率，因此無(wú)變壓器隔離的光伏逆變器漏電流抑制技術(shù)近來(lái)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

2 三相光伏逆變拓?fù)渎╇娏饕种?/p>

2.1 SPWM與SVPWM調(diào)制方式的共模電壓

由頻譜圖可以看出共模電壓主要含有直流分量Vdc=300V，即1.5倍的母線電壓，以及開關(guān)頻率3KHz的諧波電壓。

同樣的條件下將調(diào)制方式改為SVPWM方式：

由頻譜圖可以看出，共模電壓中的直流成分含量與SPWM一致，即都為母線電壓的1.5倍，但交流成分中還含有大量的3的奇數(shù)倍次諧波，分布在基頻附近和開關(guān)頻率附近。由共模電壓的定義可以看出，當(dāng)以母線的電容中點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，共模電壓的直流成分將為0。

2.2 帶分裂電容的三相逆變拓?fù)?/p>

如圖5所示的帶分裂電容的三相逆變拓?fù)?，將直流母線中點(diǎn)與電網(wǎng)中性點(diǎn)直接相連，得到的共模電壓等效模型如圖6所示：

由等效模型可以看出，將直流母線的中點(diǎn)一電網(wǎng)中性點(diǎn)直接相連以后，參考點(diǎn)與地之間被母線中點(diǎn)鉗位，而母線電容遠(yuǎn)大于光伏電池正負(fù)極的寄生電容，從而使共模電流強(qiáng)制流向母線電容，從而達(dá)到了抑制漏電流的目的。

但從2.1節(jié)的頻譜分析可以看出，SVPWM調(diào)制方式的共模電壓中含有大量的3的奇數(shù)倍次諧波，這些三相3的奇數(shù)倍次諧波屬于零序分量，當(dāng)母線中點(diǎn)與電網(wǎng)中性點(diǎn)相連時(shí)，零序分量有了通路，電網(wǎng)相電流會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。因此SVPWM調(diào)制方式不適用于母線中點(diǎn)與電網(wǎng)中性點(diǎn)直接相連的拓?fù)洹６鳶PWM調(diào)制方式的共模電壓中僅僅含有開關(guān)頻率處的諧波，因此這種帶分裂電容的拓?fù)渲贿m用于SPWM調(diào)制方式。而SPWM的母線電壓利用率較低，如果采用直流母線中點(diǎn)與電網(wǎng)中性點(diǎn)直接相連的拓?fù)鋾r(shí)，需要加一級(jí)升壓電路。

3 單相光伏逆變器的漏電流抑制

3.1 單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制的共模電壓

3.2 單極倍頻調(diào)制方式的共模電壓抑制

與雙極性調(diào)制方式相比，在相同載波頻率條件下，單極倍頻調(diào)制方式具有開關(guān)次數(shù)少，波形質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，因此抑制單極倍頻調(diào)制方式的共模電壓成為了各國(guó)新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。以下介紹幾種國(guó)外典型的針對(duì)抑制共模電壓的單相逆變拓?fù)洹?/p>

德國(guó)SMA 公司的Sunny Mini Central 系列和SunnyBoy TL 系列的光伏并網(wǎng)逆變器采用H5 拓?fù)?，德?guó)Sunways 公司生產(chǎn)的NT 系列的光伏并網(wǎng)逆變器采用HERIC 拓?fù)?，其中SMA公司已在中國(guó)，歐洲以及美國(guó)申請(qǐng)了H5拓?fù)鋵＠?，而Heric拓?fù)湓谥袊?guó)沒(méi)有申請(qǐng)專利。

如圖8所示的H5拓?fù)?，其原理是在調(diào)制波正半周期，S1常開，S4和S5共驅(qū)動(dòng)并與S3的驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)，逆變回路S1，S4，S5導(dǎo)通，共模電壓 ，續(xù)流回路S1與S3導(dǎo)通，a點(diǎn)電位與b點(diǎn)電位由S5 ，S4兩個(gè)開關(guān)管的分壓決定，而對(duì)于寄生參數(shù)相同的開關(guān)管，可以認(rèn)為a，b兩點(diǎn)電位為母線中點(diǎn)電位，共模電壓 ，因此這種H5拓?fù)涞墓材ｋ妷簺](méi)有脈動(dòng)，可以抑制共模漏電流。

如圖9所示的Heric拓?fù)?，在調(diào)制波正半周期，逆變回路S1與S4導(dǎo)通，共模電壓 ，續(xù)流回路S5和S6導(dǎo)通，a，b兩點(diǎn)電位由S1，S2開關(guān)管分壓決定，也可以認(rèn)為a b兩點(diǎn)電位為母線中點(diǎn)電位共模電壓 ，從而抑制了共模電壓的脈動(dòng)。

綜上所述，單相光伏逆變拓?fù)涞墓材ｋ妷阂种圃硎窃诶m(xù)流回路依靠開關(guān)管的阻斷和寄生參數(shù)的分壓將橋臂電位鉗位在母線中點(diǎn)，國(guó)內(nèi)各高校與有關(guān)企業(yè)的拓?fù)鋵＠彩抢么嗽恚皇遣煌耐負(fù)渑浜喜煌恼{(diào)制方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第五版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]馮垛生，張淼，趙慧.等.太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

第2篇：光電隔離技術(shù)范文

【關(guān)鍵字】電氣隔離，電氣控制線路，應(yīng)用

中圖分類號(hào)： F406 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

一、前言

電氣隔離在電氣控制線路上的應(yīng)用十分普遍，同時(shí)也非常重要，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)其的研究分析，可以促進(jìn)其不斷地應(yīng)用，這對(duì)于我國(guó)在這方面的研究意義重大。

二、數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)常見干擾綜合分析

在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在一些因自然因素或人為因素產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)通過(guò)一定途徑進(jìn)入控制系統(tǒng)?？筛鶕?jù)干擾源和干擾傳播路徑的不同，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的干擾可分兩大類：一是系統(tǒng)內(nèi)部的相互干擾，二是系統(tǒng)外部的干擾。其中，系統(tǒng)內(nèi)部的控制模塊產(chǎn)生的相互干擾主要由接觸器、繼電器、開關(guān)等裝置內(nèi)部的器件引起，可通過(guò)系統(tǒng)通道進(jìn)行干擾(如輸入、輸出端口)、供電系統(tǒng)干擾(如電源)和空間干擾的方式進(jìn)入數(shù)控機(jī)床的控制模塊。

例如，接觸器的動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生兩種干擾信號(hào)：一是接觸器開關(guān)觸點(diǎn)開、合會(huì)在母線上引起含有多種頻率分量的衰減震蕩波，母線相當(dāng)于天線，將暫態(tài)電磁場(chǎng)的能量向周圍空間輻射，進(jìn)人數(shù)控控制模塊后形成干擾。這種干擾與開關(guān)所帶負(fù)載的類型和功率大小有關(guān)，一般情況，感性負(fù)載、大功率變壓器引起的干擾強(qiáng)度更大；二是接觸器控制線圈通、斷時(shí)在線圈兩端產(chǎn)生的過(guò)電壓，通過(guò)電源線和輸出繼電器進(jìn)入控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)其它的強(qiáng)電信號(hào)，可通過(guò)電源線傳輸或空間電磁耦合等方式干擾數(shù)控系統(tǒng)；三是外部環(huán)境，如大電弧電流產(chǎn)生的劇變強(qiáng)電磁場(chǎng)、強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)、大功率的變頻器以及雷電等，這些干擾的傳播路徑主要是空間電磁耦合。

三、信號(hào)隔離

1、光電耦合隔離

光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號(hào)，對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行隔離。因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小和耐沖擊等好處，使其在強(qiáng)一弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。光電耦合器，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體光電器件，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度寬、無(wú)觸點(diǎn)輸入與輸出以及在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中，它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等，而用于隔離電路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、過(guò)流保護(hù)、長(zhǎng)線傳輸、高壓控制及電平匹配等。

光電隔離是由光電耦合器件來(lái)完成的。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大、隔離電容很小(約幾個(gè)pF)，所以能阻止電路耦合產(chǎn)生的電磁干擾，被控設(shè)備的各種干擾很難反饋到輸入系統(tǒng)。光電耦合器把輸入信號(hào)與內(nèi)部電路隔離開來(lái)，或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開來(lái)。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。由于光電耦臺(tái)器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。

目前，大多數(shù)光電耦合器件的隔離電壓都在2．5kV以上，有些器件達(dá)到了8kV，既有高壓大電流大功率光電耦合器件，又有高速高頻光電耦合器件(頻率高達(dá)10MHz)。常用的器件如4N25，其隔離電壓為5．3kV；6N137，其隔離電壓為3kV，頻率在10MHz以上。

2、脈沖變壓器隔離

脈沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次繞組和二次繞組分別繞于鐵氧體磁芯的兩側(cè)，這種工藝使得它的分布電容特小，僅為幾個(gè)pF，所以可作為脈沖信號(hào)的隔離元件。脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號(hào)時(shí)，不傳遞直流分量，PLC使用的數(shù)字量信號(hào)輸入／輸出的控制設(shè)備不要求傳遞直流分量，因而在工控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

下圖是脈沖變壓器的應(yīng)用實(shí)例。電路的外部信號(hào)經(jīng)RC濾波電路和雙向穩(wěn)壓管抑制常模噪聲干擾，然后輸入脈沖變壓器的一次側(cè)。為了防止過(guò)高的對(duì)稱信號(hào)擊穿電路元件，脈沖變壓器的二次側(cè)輸出電壓被穩(wěn)壓管限幅后進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部。一般地說(shuō)，脈沖變壓器的信號(hào)傳遞頻率在1kHz～1MHz之間，新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達(dá)到10MHz。

3、繼電器隔離

繼電器的線圈和觸點(diǎn)沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，因此，可利用繼電器的線圈接受信號(hào)，利用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出控制信號(hào)，從而避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直接接觸，實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。下圖是繼電器輸出隔離的實(shí)例示意圖。在該電路中，通過(guò)繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開來(lái)，使高壓交流側(cè)的干擾無(wú)法進(jìn)入低壓直流側(cè)。

4、配線系統(tǒng)隔離

將微弱信號(hào)電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，最基本的要求是信號(hào)線路必須和強(qiáng)電控制線路、電源線路分開走線，而且相互間要保持一定的距離。配線時(shí)應(yīng)區(qū)別分開交流線、直流穩(wěn)壓電源線、數(shù)字信號(hào)線、模擬信號(hào)線和感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)線等。配線間隔越大，配線越短，則噪聲影響越小。但是，實(shí)際設(shè)備的內(nèi)外空間是有限的，配線間隔不可能太大，只要能維持最低限度的間隔距離便可。如果受環(huán)境條件的限制，信號(hào)線不能與高壓線和動(dòng)力線等離得足夠遠(yuǎn)時(shí)，就得采用諸如信號(hào)線路接電容器等各種抑制電磁感應(yīng)噪聲的措施。

四、控制線隔離技術(shù)——電源系統(tǒng)隔離技術(shù)

1、交流電源供電系統(tǒng)隔離法

交流電源中存在著諸多電干擾源，如交流電源在工作時(shí)產(chǎn)生的數(shù)量巨大的諧波、高頻波、雷擊浪涌等一系列干擾噪聲，所以在以交流式電源為主要供電設(shè)備的電氣系統(tǒng)中其電源系統(tǒng)均應(yīng)該采取抗干擾措施，隔離電源變壓器就是一個(gè)較為有效的電源抗干擾裝置，該裝置能夠有效地防止電源工作中由電流產(chǎn)生的噪聲干擾。隔離電源變壓器的運(yùn)作原理是在電壓器內(nèi)部的加入了隔離層，并且變電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)的調(diào)整，之所以一般的交流變器不論如何概念其內(nèi)構(gòu)都無(wú)法達(dá)到這種效果是因?yàn)榧词故棺儔浩鲀?nèi)的一次燒和二次燒組件絕緣不產(chǎn)電流流動(dòng)，但由于交流電流的作用變壓器中會(huì)有分布電容（鐵心與燒組之間，燒組與燒組之間，層匝之間以及引線與引線之間）存在，這樣交流電網(wǎng)之中就會(huì)有電容耦合存在，從而產(chǎn)生噪聲。因此采用隔離電壓變壓器才能有效對(duì)交流電源進(jìn)行有效的噪音隔離。

2、直流電源供電系統(tǒng)隔離法

直流電源供電系統(tǒng)雖然與交流電源供電系統(tǒng)比起來(lái)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲較小，而且直流電產(chǎn)生的噪聲污染也比較好控制，但在工作中如對(duì)直流電源供電系統(tǒng)不加以控制和預(yù)防其產(chǎn)生噪聲也會(huì)有較明顯的影響作用。直流電源供電系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生干擾主要來(lái)自直流電源系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間相互的作用影響或是子系統(tǒng)內(nèi)部自身的影響，導(dǎo)致直流供電系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲，要想對(duì)直流電源供電系統(tǒng)做噪聲隔離就要在直流變壓器中的各個(gè)子系統(tǒng)間添加隔離膜，或者直接采用隔膜變壓器也能有效降低直流變壓器在工作是產(chǎn)生的噪聲。

五、結(jié)束語(yǔ)

總之，電氣隔離在電氣控制線路上的應(yīng)用十分普遍，而且重要性很強(qiáng)，需要不斷加強(qiáng)對(duì)其的研究，以此才能促進(jìn)其繼續(xù)的發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈春波數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的電氣隔離技術(shù)科技創(chuàng)新與應(yīng)用2013-01-08期刊

第3篇：光電隔離技術(shù)范文

引言

在電力電子裝置中，經(jīng)常需要在兩個(gè)不同的模塊之間傳送模擬信號(hào)，并且要保證安全可靠地傳送。通常兩個(gè)不同模塊之間的電位可以相差幾百伏乃至幾千伏，比如電機(jī)控制中的隔離電樞電流和電壓傳感器，電動(dòng)機(jī)地與控制系統(tǒng)地的隔離等。特別在一些以微處理器為核心的電力電子裝置中，需要傳送代表輸出特性的參考信號(hào)，而運(yùn)行于高頻開關(guān)狀態(tài)的功率電路與控制電路往往不在同一電路板上，為了防止強(qiáng)電磁干擾串到微機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，并降低EMI和工頻干擾，在信號(hào)傳送的時(shí)候需要嚴(yán)格隔離。在工業(yè)過(guò)程控制與測(cè)量系統(tǒng)中更是普遍需要用到模擬量隔離傳輸技術(shù)，如熱電偶、壓力電橋、應(yīng)變計(jì)、傳感器的數(shù)據(jù)隔離放大均是例子。因此，研究精確可靠的傳輸方案對(duì)于保證系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。本文以數(shù)控精密高頻開關(guān)逆變電源系統(tǒng)為例，研究了電力電子裝置中模擬信號(hào)的精確隔離傳輸?shù)姆椒ā?/p>

1 隔離傳輸方法及其比較

實(shí)現(xiàn)電氣上隔離的方法從耦合方式來(lái)看，可以分為磁耦合隔離方法、光電耦合隔離方法、電容耦合隔離方法等。

磁耦合隔離方法是最常用的耦合隔離方法。圖1所示的是AD公司生產(chǎn)的隔離放大器AD202的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，是一個(gè)典型的變壓器耦合二端隔離放大器，采用了調(diào)幅與解調(diào)技術(shù)將直流或交流信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到輸出級(jí)，輸入級(jí)內(nèi)置一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放作為信號(hào)預(yù)處理，可進(jìn)行緩沖、濾波等功能。輸出級(jí)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，濾波與放大。內(nèi)置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側(cè)的運(yùn)放、調(diào)制器或其他電路。

圖2

    另外，還有三點(diǎn)隔離的變壓器耦合隔離放大器，如BB公司的3656,可以實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)和輸出級(jí)隔離，而且供電電源與放大器隔離，真正實(shí)現(xiàn)了信號(hào)和電源完全隔離。

電容耦合隔離方法是比較先進(jìn)的，采用了頻率調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)輸入電壓數(shù)字編碼和差動(dòng)電容勢(shì)壘耦合，準(zhǔn)確地隔離和傳輸模擬信號(hào)。圖2所示的是BB公司電容耦合隔離放大器ISO122的框圖，隔離放大器輸入和輸出之間通過(guò)2個(gè)1pF的隔離電容進(jìn)行信號(hào)耦合。在調(diào)制端，輸入放大器對(duì)輸入電流和一個(gè)可切換的電流源之間的差值進(jìn)行積分。假設(shè)VIN為0V，積分器將以單向的斜率上升直到超過(guò)比較器的閾值。內(nèi)部的壓控振蕩器使電流源以500kHz的頻率切換，輸出調(diào)制的數(shù)字電平以差動(dòng)形式加在勢(shì)壘電容上。同時(shí)外加隔離電壓呈共模形式。輸出端的放大器檢測(cè)出來(lái)的差動(dòng)信號(hào)作為另一個(gè)電流源到積分器A2的切換控制，信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生一個(gè)平均值等于VIN的VOUT，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾掉余下的載波噪聲之后，就成為隔離放大器的輸出。

    由于采用了數(shù)字化調(diào)制手段，隔離柵的性能不會(huì)影響到模擬信號(hào)的完整性，所以有較高的可靠性和良好的頻率特性。

光電耦合器是通過(guò)光信號(hào)的傳送實(shí)現(xiàn)耦合的，輸入和輸出之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，具有很強(qiáng)的隔離作用，在實(shí)際中應(yīng)用很廣泛。光電耦合器件具有非線性電流傳輸?shù)奶匦?，如果直接用于模擬量的傳輸，則線性度和精度都很差。于是很多公司相繼推出線性光耦隔離放大器，如BB公司的ISO100,利用發(fā)光二極管LED與兩個(gè)光電二極管進(jìn)行耦合，一路反饋到輸入端，一路耦合到輸出端，經(jīng)過(guò)激光調(diào)整精心匹配，線性度和穩(wěn)定度都很好。

2 開關(guān)式隔離傳送與串行方式

針對(duì)光電耦合器能夠相當(dāng)可靠地傳遞開關(guān)量信號(hào)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中考慮數(shù)字隔離的方法，即將模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，再采用光電耦合器進(jìn)行數(shù)字隔離。

    2．1 PWM的調(diào)制及解調(diào)方式

一種開關(guān)量隔離方式，集成PWM或微處理器輸出信號(hào)調(diào)制的PWM波形，傳送信號(hào)的瞬時(shí)電平與脈寬成正比，經(jīng)過(guò)光電隔離后對(duì)PWM信號(hào)低通濾波，恢復(fù)成模擬信號(hào)。

2．2 V/F方式

另一種A/D轉(zhuǎn)換常用方法如圖3所示。它采用電壓/頻率變換即V/F變換，設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)隔離傳送電路如圖3所示。傳感器輸出的微弱信號(hào)放大到伏級(jí)，送入LM331構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換電路變成脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率與輸入電壓成正比；可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，而后經(jīng)過(guò)光電耦合器切斷前后電路電氣聯(lián)系，隔離后的脈沖信號(hào)再送入同樣由LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路得到復(fù)原的模擬電壓信號(hào)。

綜上比較各種隔離方法的傳輸特性，其性能綜合對(duì)比如表1所列。

表1各種隔離方法的傳輸性能對(duì)比

耦合方式 傳送精度 噪聲濾波 結(jié)構(gòu)復(fù)雜度 傳送距離 電平死區(qū) 變壓器耦合 中 需要 高 短 有 電容耦合 較好 需要 高 短 有 線性光電耦合 較好 不需要 中 短 有 PWM 低 需要 低 長(zhǎng) 無(wú) V/F 中 需要 中 長(zhǎng) 有 前面幾種隔離方法都采用了集成的結(jié)構(gòu)，性能得以保證，但是，由于隔離是在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，輸入級(jí)與輸出級(jí)間距很短，對(duì)于信號(hào)傳輸空間上有一定距離的應(yīng)用場(chǎng)合，效果并不是很好；同時(shí)在調(diào)制與解調(diào)過(guò)程中不可避免地會(huì)有一些噪聲產(chǎn)生，因此輸出級(jí)要設(shè)置相應(yīng)的濾波電路，導(dǎo)致準(zhǔn)確度下降，

線性光耦當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流可能小到無(wú)法令光電管檢測(cè)，存在死區(qū)；后來(lái)的V/F開關(guān)轉(zhuǎn)換方法傳輸可靠，但是隔離的兩端都需要V/F芯片，電路仍顯復(fù)雜，另外，工作頻帶受限制，低端因?yàn)榧y波大而準(zhǔn)確度下降，高端信號(hào)亦受濾波器頻帶限制。

圖5

    要解決或改善上述的不足單從電路結(jié)構(gòu)完善上已經(jīng)余地不大，唯有考慮引入數(shù)字式的傳輸手段。

2．3 直接數(shù)字信號(hào)傳輸方式

對(duì)于模擬信號(hào)要求較高的場(chǎng)合，可以采用數(shù)字式信號(hào)傳輸，優(yōu)點(diǎn)是精度高，抗干擾性強(qiáng)和可靠性好，能夠?qū)崿F(xiàn)任意波形的信號(hào)傳送。在有些應(yīng)用場(chǎng)合中是通過(guò)微處理器直接生成數(shù)字信號(hào)，則更有理由采用數(shù)字式傳輸。

將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換到模擬信號(hào)的方法可以有多種，如PWM信號(hào)濾波，數(shù)字電位器。從信號(hào)的準(zhǔn)確度和驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)看，專用的DAC芯片最為可靠。專用的DAC芯片，是通過(guò)數(shù)據(jù)線輸入，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，一般8～12位的精度已經(jīng)可以達(dá)到大多數(shù)傳送要求的準(zhǔn)確度，因?yàn)檩斎胧菙?shù)字電平，所以可以進(jìn)行光電隔離，還能通過(guò)遠(yuǎn)距離傳送，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同的電網(wǎng)絡(luò)之間傳送模擬信號(hào)。

DAC芯片通常有串行和并行之分，并行的DAC芯片應(yīng)用較多，編程簡(jiǎn)便，但是，應(yīng)用時(shí)候需要把所有數(shù)據(jù)線以及讀寫控制線全部進(jìn)行隔離，這樣需要的光電耦合器的數(shù)量就較多，長(zhǎng)距離傳輸?shù)臅r(shí)候電路結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)只是信號(hào)變換速率較快。

圖6

    2．4 串行D/A數(shù)字隔離的辦法

對(duì)于速率傳輸并非很快的場(chǎng)合，采用串行的D/A芯片就能夠很好地適應(yīng)應(yīng)用的要求。各大芯片廠商都已推出了串行接口的D/A芯片，通常輸入端采用串行方式接收數(shù)據(jù)，如SPI或者I2C總線時(shí)序。微機(jī)接收來(lái)自各類傳感器的模擬信號(hào)，配合外圍或者自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)軟件進(jìn)行濾波、放大等數(shù)據(jù)處理，由程序?qū)⑿枰敵龅臄?shù)據(jù)加上若干控制位組合成串行數(shù)據(jù)列，通過(guò)微機(jī)I/O口，經(jīng)過(guò)光耦隔離輸入到串行D/A芯片，變換成模擬信號(hào)輸出。圖4所示的是通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)的串行隔離傳送的一個(gè)方案。

這樣便可以將控制電路與高電壓電路完全隔離起來(lái)，只要將串行D/A芯片置于功率電路端。因?yàn)橹虚g完全是數(shù)字信號(hào)傳輸，所以能夠較好地解決傳輸干擾，連線也相當(dāng)簡(jiǎn)單，一般不超過(guò)4根線，使電路的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。圖5所示的是實(shí)際的電路。

3 串行D/A隔離信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

作者設(shè)計(jì)的數(shù)控開關(guān)電源中需要提供多路精確的25Hz參考信號(hào)，并且需要與主功率電路與驅(qū)動(dòng)電路完全隔離，為此，采用了本文提出的方法。在以微處理器80C196KC為核心的實(shí)驗(yàn)電源系統(tǒng)中，逆變的參考信號(hào)是通過(guò)微機(jī)控制串行D/A生成，傳送到隔離側(cè)的功率控制電路。

本文采用MAXIM公司的串行8位DAC，電壓輸出，整個(gè)封裝為8腳，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中微處理器與芯片之間的SPI總線控制通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入端的口線用高速光耦6N137分別隔離。

因?yàn)椋?0C196KC系列沒(méi)有單口線操作指令，所以，各口線時(shí)序以并行方式同步輸出。

輸入線包含片選線、時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，首先，軟件時(shí)序操作令片選有效，然后，程序就可以向芯片發(fā)送整合的數(shù)據(jù)包。時(shí)鐘線上輸出的是一定頻率的脈沖信號(hào)，在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿后，將數(shù)據(jù)包中的各位按次序送到數(shù)據(jù)線上，當(dāng)時(shí)鐘變?yōu)橄陆笛貢r(shí)刻，數(shù)據(jù)輸入到DA的寄存器內(nèi)。具體時(shí)序如圖6所示。

要完成一次數(shù)據(jù)的發(fā)送，串行芯片需要接收到16個(gè)數(shù)據(jù)位，也就是至少需要16個(gè)時(shí)鐘周期，對(duì)于MAX522的時(shí)鐘頻率可達(dá)5MHz，故數(shù)據(jù)的發(fā)送周期最短大約為200ns，對(duì)于其他串行芯片可以類推，但是一般微處理器指令執(zhí)行速率達(dá)不到這么快。

實(shí)驗(yàn)中輸出25Hz波形，輸出點(diǎn)數(shù)為256，采樣頻率達(dá)到6kHz，已經(jīng)能夠滿足精密工頻逆變電源的波形控制要求。如果采用更高速的處理器可傳輸頻率更高的模擬信號(hào)。用這種方法可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步傳輸，只要將各串行芯片的片選端和時(shí)鐘端分別相連，從數(shù)據(jù)端發(fā)送不同的數(shù)據(jù)位，就可以在隔離的另一側(cè)輸出同步波形。圖7所示的是通過(guò)這種方法生成的兩路參考波形，相位差90°。實(shí)驗(yàn)證明這種隔離方法能夠使微機(jī)控制電路受到的干擾大大降低，由于采用數(shù)字信號(hào)的方式，無(wú)須濾波，可以適應(yīng)信號(hào)發(fā)生突變的應(yīng)用要求。

第4篇：光電隔離技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 光耦 控制

中圖分類號(hào): TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416(2011)12-0022-01

Abstract:Given the stability of the traditional single-chip control switch is poor,bulky problem of poor and anti-jamming capability,designed and developed a microcontroller-based STC opticalcoupler control switch lights.The control depends on the MCU to complete the synchronization,using a combination of hardware and software protection measures,both beautiful and have good performance to achieve its control.

Key words:Micro Control Unit Opticalcoupler Control

1、引言

隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場(chǎng)合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價(jià)以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來(lái)裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時(shí)尚。但目前市場(chǎng)上各式樣的LED彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場(chǎng)合、不同時(shí)間段的需要來(lái)調(diào)節(jié)亮燈時(shí)間、閃爍頻率等動(dòng)態(tài)參數(shù)。這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過(guò)多、電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點(diǎn)。此外從功能效果上看，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，缺乏用戶可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對(duì)現(xiàn)有的彩燈控制進(jìn)行改進(jìn)。

2、光耦器件有效抑制單片機(jī)系統(tǒng)干擾

共地干擾的存在影響了單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作，切斷共地關(guān)系，電信號(hào)無(wú)法構(gòu)成回路，單片機(jī)和外部設(shè)備無(wú)法進(jìn)行信號(hào)傳輸。所以，必須采取某種措施，既能保證將地隔開，又能順利傳送信號(hào)。利用光耦器件隔離，能夠解決上述問(wèn)題。光耦器件是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光信號(hào)傳送到接受側(cè)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于光信號(hào)的傳送不需要共地，因此可以將光耦器件兩側(cè)的地加以隔離。

光耦器件能再傳輸信號(hào)的同時(shí)有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，其原因如下：

(1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐，而干擾源阻抗較大，通常為幾百千歐。由分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，光電耦合輸入端分得的噪聲電壓也很小，另外由于干擾噪聲的能量小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作，干擾噪聲即使有很高的電壓幅值，也會(huì)因?yàn)闆](méi)有足夠的電流導(dǎo)致發(fā)光二極管不能發(fā)光，干擾就被抑制掉。

(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣連接，沒(méi)有共地，之間的分布電容很小，而絕緣電阻又很大，因此回路一側(cè)的各種干擾噪聲都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一側(cè)，避免了共阻抗耦合干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

光電耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸入和輸出完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓，即使外設(shè)電路出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)短接時(shí)，儀表也不會(huì)損壞，有很好的安全保障。光電耦合器還具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，適用于響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。

單片機(jī)有多個(gè)輸入端口，接收來(lái)自遠(yuǎn)處設(shè)備傳來(lái)的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，單片機(jī)對(duì)這些信號(hào)處理后，輸出控制信號(hào)去執(zhí)行相應(yīng)的操作。如果現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲干擾，這些干擾信號(hào)一旦進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，會(huì)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤操作，造成比較嚴(yán)重的后果。要解決此問(wèn)題，可在單片機(jī)的輸入端和輸出端用光耦器件作為接口，使信號(hào)和噪聲之間電氣隔離，抑制干擾信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)。

光電耦合器是光電隔離電路的核心器件，它具有單向信號(hào)傳輸、輸入輸出端完全電氣隔離、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)運(yùn)用于許多領(lǐng)域，在電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、振蕩器、級(jí)間隔離、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離傳輸、通信設(shè)備等方面都有廣泛的應(yīng)用。但光電耦合器雖然是一種電流控制的電流轉(zhuǎn)移器件，具有和雙極性晶體管類似的傳輸特性，但由于它的線性工作區(qū)比較窄，電流傳輸比受溫度影響比較明顯，不適合作為模擬電路的輸入輸出隔離。

3、STC11單片機(jī)和MAX232及軟件

我們選用了STC11單片機(jī)和MAX232轉(zhuǎn)換芯片，STC11/10xx系列單片機(jī)是宏晶科技設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路,針對(duì)高速通信，智能控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。STC11/10xx系列單片機(jī)的定時(shí)器0/定時(shí)器1/串行口與傳統(tǒng)8051兼容,增加了獨(dú)立波特率發(fā)生器,省去了定時(shí)器；傳統(tǒng)8051的111條指令執(zhí)行速度全面提速,最快的指令快24倍,最慢的指令快3倍。國(guó)產(chǎn)宏晶STC單片機(jī)以其低功耗、廉價(jià)、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國(guó)內(nèi)51單片機(jī)較大市場(chǎng)。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。

使用圖片按鈕界面控制單片機(jī)通信，由于控制程序存儲(chǔ)在STC11單片機(jī)的電可擦除Flash閃存EPROM中，如果用戶需要更改系統(tǒng)的亮燈位置，無(wú)須改變系統(tǒng)硬件電路，只需修改其中程序即可，是一種很有發(fā)展前途的燈控制器。

4、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于STC11單片機(jī)的光耦控制進(jìn)行了分析，并實(shí)現(xiàn)了控制開關(guān)燈，其提高了單片機(jī)控制開關(guān)的穩(wěn)定性、精巧性和抗干擾能力，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2]王為青,程國(guó)鋼.單片機(jī)Keil Cx51應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2007.

第5篇：光電隔離技術(shù)范文

[關(guān)鍵詞]RS-485 光電耦合隔離 中繼器

一、引言

RS-485總線是測(cè)控領(lǐng)域廣泛采用的一種現(xiàn)場(chǎng)總線形式,由于采用了平衡發(fā)送和差分接收的方式,可以有效地克服共模干擾,并具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。RS-485總線傳輸?shù)淖畲缶嚯x為1200米,使用中繼器可以突破這個(gè)距離限制,擴(kuò)展RS485網(wǎng)絡(luò)。本文通過(guò)對(duì)常用RS-485總線接口器件MAX3471工作原理深入分析的基礎(chǔ)上采用光電耦合隔離和自動(dòng)雙向切換技術(shù),設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的RS-485總線光耦隔離中繼器。與傳統(tǒng)RS-485中繼器相比,本文設(shè)計(jì)的中繼器傳輸信號(hào)穩(wěn)定可靠,具有防雷擊、電氣隔離傳輸信號(hào)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各種大型測(cè)控系統(tǒng)。

二、總體設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)上采用雙信號(hào)端對(duì)稱設(shè)計(jì),分別稱為信號(hào)1端和信號(hào)2端,它們都可以作為發(fā)送端和接收端使用。由于RS-485采用半雙工方式,同一時(shí)刻只允許一個(gè)作為發(fā)送端,另一個(gè)作為接收端。光耦隔離芯片是信號(hào)端之間的傳輸媒介,隔離前后的信號(hào)擺脫了電氣連接,對(duì)系統(tǒng)安全起到了防護(hù)作用。外部電源采用+5V或+9V~+24V直流電源。由于通信網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)地相位差異較大,采用隔離電源分別給信號(hào)端供電,使得信號(hào)1端GND、信號(hào)2端GND和電源端GND三者之間相互隔離,這樣即使在某一端短路的情況下也不會(huì)危及整個(gè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備起到了很好的保護(hù)作用。

三、工作原理與分析

1. 隔離電源與信號(hào)隔離

系統(tǒng)采用+5V直流電源直接供電或+9~+24V的直流電源供電。采用+9~+24V直流電源供電時(shí),需要將輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V直流電。LM2576是五端穩(wěn)壓器,五個(gè)端口分別是輸入端、輸出端,使能端(低電平有效),反饋端和地端。按典型電路輸入+9~+24V直流電,將從輸出端將得到+5V直流電。

5V直流電通過(guò)隔離電源芯片U8和U9后得到兩個(gè)與輸入相隔離的電源VCC1和VCC2,分別給兩個(gè)光耦供電。隔離電源芯片采用了耀華電子生產(chǎn)的二次集成芯片,該產(chǎn)品具有體積小、效率高、高隔離電壓、高可靠性和低價(jià)格等顯著優(yōu)點(diǎn),適用于數(shù)字信號(hào)處理電路和對(duì)電壓穩(wěn)定度要求不高的模擬電路,特別適用于分布式電源供電系統(tǒng)及使用小功率電源供電。

信號(hào)隔離采用了光耦隔離方式。光耦隔離器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏管封裝在一起,發(fā)光二極管將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳給光敏管,再由光敏管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。由于沒(méi)有直接的電氣連接,既耦合傳輸了信號(hào),又具有隔離作用。

2. 中繼器工作原理

中繼器的核心為中繼器收發(fā)芯片,這里選用了MAX3471。它采用8管腳封裝,其中 為接收控制端,低電平有效;DE為發(fā)送控制端,高電平有效。將 和DE連接在一起,可以保證芯片任一時(shí)刻只工作于一種模式。RO和DI分別為數(shù)據(jù)接收端和數(shù)據(jù)發(fā)送端。

信號(hào)1端和信號(hào)2端在結(jié)構(gòu)上互為對(duì)稱,因此僅就信號(hào)1端輸入數(shù)據(jù),信號(hào) 2端輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。中繼器分為空閑和數(shù)據(jù)傳輸兩種狀態(tài),下面分別就這兩種情況分析:

(1)系統(tǒng)空閑:

系統(tǒng)上電后如果沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸, VCC1、VCC2分別通過(guò)R15和R21將U1_DI和U2_DI上拉至高電平,兩個(gè)光耦都處于關(guān)閉狀態(tài), U1_RO和U2_RO都處于高電平的狀態(tài)。為了避免信號(hào)干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作,采用施密特觸發(fā)器對(duì)波形進(jìn)行整形處理。HEF4093為四通道雙輸入施密特觸發(fā)器, U1_DI高電平信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器的整形和反向后得到一個(gè)低電平信號(hào),將該信號(hào)接至U1的 和DE端表示允許接收。

因此總線上若為空閑,受上拉和下拉電路的影響,差分信號(hào)為高電平,RO數(shù)據(jù)接收端也始終為高電平。

(2)數(shù)據(jù)傳輸:

RS-232或TTL串口傳輸數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)格式通常是起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。空閑時(shí)發(fā)送口為高電平,當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)總線由高電平跳至低電平,這個(gè)低電平就作為起始位。

當(dāng)差分信號(hào)變?yōu)榈碗娖?起始位)時(shí),U1_RO變?yōu)榈碗娖?U1_RO經(jīng)過(guò)光耦隔離后同相輸出為U2_DI?？梢钥吹経2_DI信號(hào)除了作為數(shù)據(jù)外又經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器的整形、反向后作為U2的發(fā)送控制端。由于控制信號(hào)此時(shí)為高電平,表示發(fā)送允許,故U2將U2_DI的低電平信號(hào)通過(guò)A2,B2差分輸出。

四、系統(tǒng)測(cè)試

采用VB語(yǔ)言編寫中繼器收發(fā)測(cè)試軟件,將RS-485總線光電隔離中繼器通過(guò)雙絞線將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)相連,距離約1500m, 傳輸速率設(shè)置為19.2kbit/s, 分別在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行測(cè)試軟件。通過(guò)計(jì)算機(jī)1發(fā)送數(shù)據(jù),設(shè)置“發(fā)送文本”為123456789, “發(fā)送次數(shù)”為100000次,點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕發(fā)送數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)2的“接受文本”框里顯示了計(jì)算機(jī)1發(fā)送過(guò)來(lái)的內(nèi)容,點(diǎn)擊“顯示測(cè)試結(jié)果”,誤碼率為0,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

第6篇：光電隔離技術(shù)范文

[關(guān)鍵詞]Plc設(shè)備 可靠性設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TP273[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-9416(2010)03-0020-01

目前采用PLC集中自動(dòng)控制,應(yīng)用PLC可使機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)效率大幅提高,同時(shí)也可為機(jī)電設(shè)備的故障診斷帶來(lái)極大的方便,PLC應(yīng)用的深度和廣度已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志。

90年代,隨著工控編程語(yǔ)言IEC61131-3的正式頒布,PLC開始了它的第三個(gè)發(fā)展時(shí)期,在技術(shù)上取得新的突破。PLC在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上,從傳統(tǒng)的單機(jī)向多CPU和分布式及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)展;在編程語(yǔ)言上,圖形化和文本化語(yǔ)言的多樣性,創(chuàng)造了更具表達(dá)控制要求、通信能力和文字處理的編程環(huán)境;從應(yīng)用角度看,除了繼續(xù)發(fā)展機(jī)械加工自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)外,更發(fā)展了以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)(ESD)等,全方位地提高了PLC的應(yīng)用范圍和水平。

1 PLC具體應(yīng)用

1.1 PLC系統(tǒng)設(shè)備選型

可編程邏輯控制器(PLC)多數(shù)是工作在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中,這不僅對(duì)PLC本身,而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、供電設(shè)備等設(shè)備的可靠性也提出嚴(yán)格的要求。在選擇控制設(shè)備時(shí)要注意以下幾點(diǎn):要選擇技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、質(zhì)量?jī)?yōu)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好的機(jī)型,以保證PLC能在強(qiáng)干擾惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行;根據(jù)實(shí)際要求選擇具有完善的輸入、輸出功能的模塊,以使系統(tǒng)能靈活處理模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量;具有完善的軟件系統(tǒng),以 實(shí)現(xiàn)過(guò)程檢測(cè)、執(zhí)行、控制、報(bào)警以及圖形畫面顯示打印等功能。

國(guó)內(nèi)開始研制PLC產(chǎn)品是上世紀(jì)70年代中期,當(dāng)時(shí)上海、北京、西安、廣州和長(zhǎng)春等地的不少 科研單位、大專院校和工廠,總計(jì)20多家單位都在研制和生產(chǎn)PLC(絕大多數(shù)都是小型PLC)。特別值得一提的是國(guó)家科委和原機(jī)械工業(yè)部在儀器儀表重點(diǎn)課 題攻關(guān)專項(xiàng)中組織了“六五”、“七五”、“八五”的可編程序控制器子項(xiàng)攻關(guān),由部屬北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所負(fù)責(zé),先后研制開發(fā)了MPC-10、MPC- 20、MPC-85型PLC。這幾種型號(hào)的PLCI/O點(diǎn)數(shù)為256～512,并可擴(kuò)展到1024點(diǎn),開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)研制大型PLC的先河,先后在注塑機(jī)、恒 溫室、鍋爐控制、汽車壓力機(jī)生產(chǎn)線上獲得了應(yīng)用。

1.2 I/O端的可靠性設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器(PLC)內(nèi)部用光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電可控硅等器件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部開關(guān)量信號(hào)的隔離,PLC的模擬量I/O模塊一般也采取了光電耦合的隔離措施。這些器件除了能減少或消除外部干擾對(duì)系統(tǒng)的影響外,還可以保護(hù)CPU模塊,使之免受從外部竄入PLC的高電壓的危害,因此一般沒(méi)有必要在PLC外部再設(shè)置干擾隔離器件。如果PLC輸入端的光電耦合器不能有效地抵抗干擾,可以用小型繼電器來(lái)隔離易受干擾的用長(zhǎng)線引入PLC輸入端的開關(guān)量信號(hào)。光電耦合器中發(fā)光二極管的工作電流僅數(shù)毫安,而小型繼電器的線圈吸合電流為數(shù)十毫安,強(qiáng)電干擾信號(hào)通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的能量一般不可能使隔離用的繼電器吸合。

繼電器輸出模塊的觸點(diǎn)工作電壓范圍寬,導(dǎo)通壓降小,與晶體管型和雙向可控硅型模塊相比,承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng),但是動(dòng)作速度較慢。系統(tǒng)輸出量變化不是很頻繁時(shí),一般選用繼電器型輸出模塊。PLC輸出模塊內(nèi)的小型繼電器的觸點(diǎn)很小,斷弧能力很差。斷開直流電路要求較大的繼電器觸點(diǎn),接通同一直流電路可用較小的觸點(diǎn),選擇外接的繼電器時(shí),應(yīng)仔細(xì)分析是否用PLC來(lái)控制接通或斷開外部回路。

當(dāng)輸入端或輸出端接有感性元件時(shí),為提高系統(tǒng)工作的可靠性,使干擾降到最低,可在兩端并聯(lián)續(xù)留二極管(DC電路)或阻容電路(AC電路),以抑制電路斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)PLC的影響。當(dāng)接近開關(guān)、光電開關(guān)這一類兩線式傳感器的漏電流較大時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的輸入信號(hào),可以在輸入端并聯(lián)旁路電容,以減少輸入阻抗。

2 PLC的特點(diǎn)

2.1 配套齊全,功能完善,適用性強(qiáng)

PLC發(fā)展到今天,可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外,現(xiàn)代 PLC多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力,可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn),使PLC滲透到了位置控制、溫度控制,CNC等各種工業(yè)控制 中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展,使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

2.2 可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)

高可靠性 是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),采用優(yōu)質(zhì)的電子元件與合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),內(nèi)部電路采取光電隔離、數(shù)字濾波、故障診斷等硬件措施,具有很高的可靠性。一 些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間很長(zhǎng)。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō),使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng),和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比,電氣接線及開關(guān) 接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能,出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中,應(yīng)用者還可以 編入器件的故障自診斷程序,使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù),使得整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性。

3 如何判斷模擬量信號(hào)的故障

PLC診斷模擬量故障的過(guò)程,實(shí)質(zhì)就是將在相應(yīng)A/D通道讀到的檢測(cè)信號(hào)的模擬量的實(shí)際值與系統(tǒng)允許的極限值相比較的過(guò)程。如果比較的結(jié)果是實(shí)際值遠(yuǎn)離極限值,則表明機(jī)電設(shè)備對(duì)應(yīng)的受監(jiān)控部位處于正常狀態(tài),如果實(shí)際值接近或達(dá)到極限值,則為不正常狀態(tài)。判斷故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)變化范圍確定,利用PLC的模擬量設(shè)定開關(guān)可精確設(shè)置該極限值。

當(dāng)模擬量的實(shí)際值達(dá)到模擬量設(shè)定開關(guān)的設(shè)定值,PLC還能按照一定的邏輯關(guān)系啟動(dòng)開關(guān)量模塊上的輸出位,或者從PLC的通訊口主動(dòng)發(fā)起通訊,從而輸出故障診斷的結(jié)果,并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的控制。

第7篇：光電隔離技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；光纖連接；測(cè)試儀

中圖分類號(hào)：TM933.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 12-0000-01

光纖通信已與我們生活息息相關(guān)，用于光纖測(cè)試的OTDR功能非常強(qiáng)大，但價(jià)格也十分昂貴。在制作光纖連接頭或進(jìn)行技能訓(xùn)練時(shí)，并不需要精細(xì)測(cè)量各種參數(shù)，只需檢驗(yàn)光纖連接是否正常，用OTDR進(jìn)行檢測(cè)顯然不具性價(jià)比。隨著技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)的可靠性、處理能力、擴(kuò)展接口、功耗和集成度等方面得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、控制、智能終端等領(lǐng)域，本文將單片機(jī)控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的快速光纖連接測(cè)試儀。

一、設(shè)計(jì)方案

測(cè)試儀主控芯片選用高性能、低功耗的8位AVR處理器，具體型號(hào)為Atmega64，由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率可高達(dá)1MIPS/MHz，能有效緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega64單片機(jī)使用16MHz晶振作為外部時(shí)鐘源，使用小型5V直流電源或電池供電。

分別用兩塊Atmega64單片機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)通信模塊作為主機(jī)和從機(jī)數(shù)據(jù)通信終端，利用小型交換機(jī)或交叉網(wǎng)線將兩個(gè)通信終端組成小型局域網(wǎng)，通過(guò)檢測(cè)通信終端之間能否進(jìn)行正常數(shù)據(jù)傳輸來(lái)測(cè)試通信線路是否正常。連接時(shí)，一個(gè)通信終端直接與交換機(jī)相連，另一個(gè)通信終端通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊連接，在保證其他線路正常的情況下，數(shù)據(jù)能否正確傳輸就取決于光纖連接的質(zhì)量，從而達(dá)到測(cè)試光纖連接的目的。單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)模塊之間數(shù)據(jù)傳輸采用SPI通信協(xié)議。SPI通信協(xié)議是一種高速、全雙工、同步的通信總線，只需占用四個(gè)IO口，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，具有簡(jiǎn)單易用的特性。光纖連接測(cè)試基本原理如圖1所示。

圖1 光纖連接測(cè)試基本原理圖

二、硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，要實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能，主要需完成數(shù)據(jù)通信終端、光電轉(zhuǎn)換模塊以及單片機(jī)控制程序等方面的設(shè)計(jì)。

（一）數(shù)據(jù)通信終端

數(shù)據(jù)終端主控芯片為Atmega64，網(wǎng)絡(luò)功能采用帶SPI接口的ENC28J60獨(dú)立以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)，輸出接口采用HR901170A網(wǎng)絡(luò)變壓器。本設(shè)計(jì)中ATmega64 SPI 配置為主機(jī)模式，ENC28J60為從機(jī)模式。隔離變壓器HR901170A與ENC28J60的物理端口連接時(shí)必須符合IEEE802.3規(guī)范，如RJ45的插孔與隔離變壓器的間隔要小，輸出和輸入差分信號(hào)對(duì)的走線要良好隔離。

（二）光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換模塊包括網(wǎng)絡(luò)接口、光纖通道、光發(fā)射器、光接收器等。光接收器和光發(fā)射器是光電轉(zhuǎn)換模塊的重要組成部分，它將來(lái)自光纖的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大、整形、再生后輸出。在測(cè)試儀中，光電轉(zhuǎn)換模塊的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，將經(jīng)光纖傳輸?shù)男盘?hào)通過(guò)光/電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，加以放大、均衡后還原為與發(fā)送端一致的數(shù)字信號(hào)，再用網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行傳輸。光電轉(zhuǎn)換功能可采用已成型的光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)。

（三）控制程序

控制程序主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)初始化、SPI始化、ENC28J60驅(qū)動(dòng)、設(shè)置MAC和IP地址，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、數(shù)據(jù)通信等功能，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是控制程序的核心。因測(cè)試只是兩個(gè)終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并不面向連接，通信數(shù)據(jù)量小，且在封閉網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸可靠性有保證，所以只需實(shí)現(xiàn)UDP通信協(xié)議。采用UDP協(xié)議主要基于以下優(yōu)點(diǎn)：（1）程序?qū)崿F(xiàn)起來(lái)比較容易，受環(huán)境影響較小，不容易出錯(cuò)；（2）UDP協(xié)議資源占用較少，處理數(shù)據(jù)較快。

數(shù)據(jù)通信功能主要用于檢測(cè)通信線路是否暢通，檢測(cè)的過(guò)程為：主機(jī)向加電后定時(shí)向從機(jī)IP地址發(fā)送一組UDP數(shù)據(jù)包，延時(shí)等待對(duì)方回應(yīng)，一定時(shí)間后收不到數(shù)據(jù)或收到的數(shù)據(jù)不正確則認(rèn)為傳輸線路存在故障，蜂鳴器發(fā)出聲音告警，故障指示燈亮；若收到回傳數(shù)據(jù)包且回傳數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)比正確，則提示線路正常。測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 測(cè)試程序流程圖

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)樣機(jī)的測(cè)試表明，該測(cè)試儀準(zhǔn)確度達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)指標(biāo)，其精度完全可滿足光纖連接可靠性測(cè)試，且具有性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

第8篇：光電隔離技術(shù)范文

【關(guān)鍵詞】光電耦合；模擬信號(hào)；工作電源

一、噪聲產(chǎn)生的根源

（1）內(nèi)部噪聲。內(nèi)部噪聲是由傳感器或檢測(cè)電路原件內(nèi)部帶電顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，如熱噪聲、接觸不良引起的噪聲等。（2）外部噪聲。外部噪聲是由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)外部人為或自然干擾造成的。外部噪聲的來(lái)源主要為電磁輻射，當(dāng)電機(jī)、開關(guān)及其他電子設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。在檢測(cè)系統(tǒng)中，由于原件之間或電路之間存在著分布電容或電磁場(chǎng)，因而容易產(chǎn)生寄生耦合現(xiàn)象。在寄生耦合的作用下，電廠、磁場(chǎng)及電磁波就會(huì)引入檢測(cè)系統(tǒng)，干擾電路的正常工作。

二、噪聲的抑制方法

（1）接地?！暗亍笔请娐坊蛳到y(tǒng)中為各個(gè)信號(hào)提供參考點(diǎn)位的一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面。所謂“接地”就是將某點(diǎn)與一個(gè)等電位點(diǎn)或等點(diǎn)未眠之間用低電阻導(dǎo)體連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)電位。電路或系統(tǒng)接地是為了清除電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)產(chǎn)生噪聲電壓，也可以避免受磁場(chǎng)或地電位差的影響。接地設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本要求是：一是消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；二是避免形成接地環(huán)路，引進(jìn)共模干擾。處理這些地線的基本原則是盡量避免或減少由接地所引起的各種干擾，同時(shí)要便于施工，節(jié)省成本。（2）屏蔽。由于檢測(cè)儀表或控制系統(tǒng)的工作現(xiàn)場(chǎng)往往存在強(qiáng)電設(shè)備，這些設(shè)備的磁力線或電力線會(huì)干擾儀表或系統(tǒng)的正常工作。為了防止這種干擾，可利用低電阻的導(dǎo)電材料或高導(dǎo)磁率的鐵磁材料制成容器，對(duì)易受干擾的部分如元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件實(shí)行屏蔽，以達(dá)到阻斷或抑制各種內(nèi)外電磁或電場(chǎng)干擾的目的。屏蔽可分為三種，即電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽及電磁屏蔽。電場(chǎng)屏蔽主要用于防止元器件或電路間因分布電容耦合形成的干擾。磁場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)消除元器件或電路間因磁場(chǎng)寄生耦合產(chǎn)生的干擾，磁場(chǎng)屏蔽的材料一般選用高磁導(dǎo)系數(shù)的磁性材料。電磁屏蔽在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流而起屏蔽作用。電磁屏蔽的屏蔽體可以不接地，但一般為防止分布電容的影響，可以使電磁屏蔽的屏蔽體接地，起到兼有電廠屏蔽的作用。電場(chǎng)屏蔽體必須可靠接地。（3）隔離。當(dāng)電路信號(hào)在兩端接地時(shí)，容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時(shí)，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。在兩個(gè)電路之間加入隔離變壓器可以切斷地環(huán)路，實(shí)現(xiàn)前后電路的隔離，變壓器隔離只適用于交流電路。在直流或超低頻測(cè)量系統(tǒng)中，常采用光電耦合的方法實(shí)現(xiàn)電路的隔離。

為了提高測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，僅靠硬件抗干擾措施是不夠的，需要進(jìn)一步借助軟件措施克服某些干擾。軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行或輸入信號(hào)受干擾后去偽存真的一種輔助方法。因此，軟件抗干擾是被動(dòng)措施，而硬件抗干擾是主動(dòng)措施。采用軟件抗干擾的最根本前提條件是：系統(tǒng)中抗干擾軟件不會(huì)因干擾而損壞。在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，由于程序有一些重要常數(shù)都防止在ROM中，這就為軟件抗干擾創(chuàng)造了良好的前提條件。因此，軟件抗干擾的設(shè)置前提條件概括為：（1）在干擾作用下，微機(jī)系統(tǒng)硬件部分不會(huì)受到任何損壞，或易損壞部分設(shè)置有監(jiān)測(cè)狀態(tài)可供查詢。（2）程序區(qū)不會(huì)受干擾侵害。系統(tǒng)的程序及重要常數(shù)不會(huì)因干擾侵入而變化。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)，程序及表格、常數(shù)均固化在ROM中，這一條件自然滿足；而對(duì)于一些在RAM中運(yùn)行用戶引用程序的微機(jī)系統(tǒng)，無(wú)法滿足該條件。當(dāng)這種系統(tǒng)因干擾造成運(yùn)行失常時(shí)，只能在干擾過(guò)后，重新向RAM區(qū)調(diào)入應(yīng)用程序。（3）RAM區(qū)中的重要數(shù)據(jù)不被破壞，或雖被破壞可以重新建立。通過(guò)重新建立的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的重新運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)不可允許的狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)被破壞后，往往只引起控制系統(tǒng)一個(gè)短期波動(dòng)，在閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)的迅速糾正下，控制系統(tǒng)能很快恢復(fù)正常，這種系統(tǒng)都能采用軟件恢復(fù)。

軟件抗干擾技術(shù)所研究的主要內(nèi)容：其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上噪聲對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響，如數(shù)字濾波器技術(shù)；其二是由于干擾而使運(yùn)行程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或陷入死循環(huán)時(shí)，采取使程序納入正規(guī)的措施，如軟件陷進(jìn)等。這些方法可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蔣紅平主編．?dāng)?shù)控機(jī)床維修[M]．北京：高等教育出版社

[2]周炳文主編．實(shí)用數(shù)控機(jī)床故障診斷及維修技術(shù)500例[M]．北京：中國(guó)知識(shí)出版社

[3]陳蘇波等主編．三菱PLC快速入門與實(shí)例提高[M]．北京：人民郵電出版社

[4]孫傳友主編．測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社

[5]柳桂國(guó)主編．檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社

第9篇：光電隔離技術(shù)范文

    工業(yè)控制系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC,它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中,雖然PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制裝置,具有較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力、運(yùn)行的穩(wěn)定性和較高的可靠性,但是由于它直接和現(xiàn)場(chǎng)的I/O設(shè)備相連,外來(lái)干擾很容易通過(guò)電源線或I/O傳輸線侵入,從而引起控制系統(tǒng)的錯(cuò)誤動(dòng)作。PLC受到的干擾可分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān),是隨機(jī)的,且干擾源是無(wú)法消除的,只能針對(duì)具體情況加以限制;內(nèi)部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān),主要通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)交流主電路,模擬量輸入信號(hào)等引起,可合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)線路來(lái)削弱和抑制內(nèi)部干擾和防止外部干擾。

    2 PLC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)

    可編程控制器硬件系統(tǒng)由PLC、功能I/O單元和外部設(shè)備組成,如圖1所示。其中PLC由CPU、存儲(chǔ)器、基本I/O模塊、I/O擴(kuò)展接口、外設(shè)接口和電源等部分組成,各部分之間由內(nèi)部系統(tǒng)總線連接。

    3 抗干擾的技術(shù)對(duì)策分析

    為防止干擾,可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中,硬件抗干擾是主要的抗干擾措施,一般從抗和防兩方面入手來(lái)抑制和消除干擾源,切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道,降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。軟件抗干擾技術(shù)作為硬件措施的輔助手段,減少隨機(jī)性信號(hào)的干擾,其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、修改靈活、耗費(fèi)資源少,在PLC測(cè)控系統(tǒng)中同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。

    3.1硬件抗干擾對(duì)策

    3.1.1電源系統(tǒng)引入的干擾對(duì)策

    電網(wǎng)的干擾、頻率的波動(dòng),將直接影響到PLC系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。如何抑制電源系統(tǒng)的干擾是提高PLC的抗干擾性能的主要環(huán)節(jié)。

    (1)加裝濾波、隔離、屏蔽、開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)

    濾波器可抑制干擾信號(hào)從電源線傳導(dǎo)到系統(tǒng)中。使用隔離變壓器,屏蔽層要良好接地;次級(jí)連接線要使用雙繞線(減少電線間的干擾),隔離變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組應(yīng)分別加屏蔽層,初級(jí)的屏蔽層接交流電網(wǎng)的零線;次級(jí)的屏蔽層和初級(jí)間屏蔽層接直流端。開頭穩(wěn)壓電源可抑制電網(wǎng)大容量設(shè)備起停引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng),保持供電電壓的穩(wěn)壓。

    (2)分離供電系統(tǒng)

    PLC的控制器與I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電,并與主電源分開,這樣當(dāng)輸入輸出供電斷電時(shí),不會(huì)影響到控制器的供電。

    3.1.2接地抗干擾對(duì)策

    接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。給PLC接以專用地線可抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾。接地線與動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)應(yīng)分開,若達(dá)不到此要求,則可與其它設(shè)備公共接地,嚴(yán)禁與其它設(shè)備串聯(lián)接地。接地電阻要小于5Ω,接地線要粗,面積要大于2平方毫米,而且接地點(diǎn)最好靠近PLC裝置,其間的距離要小于50米,接地線應(yīng)避開強(qiáng)電回路,若無(wú)法避開時(shí),應(yīng)垂直相交,縮短平行走線的長(zhǎng)度。

    3.1.3抑制輸入輸出電路引入的干擾對(duì)策

    為了實(shí)現(xiàn)輸入輸出電路上的完全隔離,近年來(lái)在控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用光電耦合。光電耦合器具有以下特點(diǎn):首先,由于是密封在一個(gè)管殼內(nèi),不會(huì)受到外界光的干擾;其次,由于靠光傳送信號(hào),切斷了各部件電路之間地線的聯(lián)系;第三,發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)電阻非常小,而干擾源的內(nèi)阻一般很大,能夠傳送到光電耦合器輸入輸出的干擾信號(hào)就變得很小;第四,光電耦合器的傳輸比和晶體管的放大倍數(shù)相比,一般很小,遠(yuǎn)不如晶體管對(duì)干擾信號(hào)那么靈敏,而光電耦合器的發(fā)光二極管只有在通過(guò)一定的電流時(shí)才能發(fā)光。因此,即使是在干擾電壓幅值較高的情況下,由于沒(méi)有足夠的能量,仍不能使發(fā)光二極管發(fā)光,從而可以有效地抑制掉干擾信號(hào)。

    (1)光電耦合輸入電路如圖2所示。其中(a)、(b)用的較多,(a)為高電平時(shí)接成形式,(b)為低電平輸入時(shí)接成形式。(c)為差動(dòng)型接法,適用于外部干擾嚴(yán)重的環(huán)境,當(dāng)外部設(shè)備電流較大時(shí),其傳輸距離可達(dá)100~200m。(d)考慮到COMS電路的輸出驅(qū)動(dòng)電流較小,不能直接帶動(dòng)發(fā)光二極管,加接一級(jí)晶體管作為功率放大。

    (2)光電耦合輸出電路如圖3所示。(a)為同相輸出,(b)為反相輸出,當(dāng)輸出電路所驅(qū)動(dòng)的元件較多時(shí),可以加接一級(jí)晶體管作為驅(qū)動(dòng)功率放大,如(c)所示。有時(shí)為了獲得更好的輸出波形,輸出信號(hào)可經(jīng)施密特電路整形。

    以上兩點(diǎn)是對(duì)開關(guān)量輸入輸出信號(hào)的處理方法,而對(duì)模擬輸入輸出信號(hào),為了消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)干擾對(duì)它的影響,除加A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路和光電耦合外,可根據(jù)需要采取軟件的數(shù)字濾波技術(shù)如中值法、一階遞推數(shù)字濾波法等算法。

    3.1.4外部配線的抗干擾設(shè)計(jì)

    外部配線之間存在著互感和分布電容,進(jìn)行信號(hào)傳送時(shí)會(huì)產(chǎn)生竄擾。為了防止或減少外部配線的干擾,交流輸入、輸出信號(hào)與直流輸入、輸出信號(hào)應(yīng)分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設(shè)備的輸入、輸出信號(hào)線,要使用屏蔽電纜,屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)要懸空,而在控制器側(cè)要接地。配線時(shí)在30m以下的短距離,直流和交流輸入、輸出信號(hào)線最好不要使用同一電纜,如果要走同一配線管時(shí),輸入信號(hào)要使用屏蔽電纜。30~300m距離的配線時(shí),直流和交流輸入、輸出信號(hào)線要分別使用各自的電纜,并且輸入信號(hào)線一定要用屏蔽線。對(duì)于300m以上長(zhǎng)距離配線時(shí),則可用中間繼電器轉(zhuǎn)換信號(hào),或使用遠(yuǎn)程I/O通道。對(duì)于控制器的接地線要與電源線或動(dòng)力線分開,輸入、輸出信號(hào)線要與高電壓、大電流的動(dòng)力線分開配線。

    3.2軟件抗干擾措施

    為了提高輸入信號(hào)的信噪比,常采用軟件數(shù)字濾波來(lái)提高有用信號(hào)真實(shí)性。對(duì)于有大幅度隨機(jī)干擾的系統(tǒng),采用程序限幅法,即連續(xù)采樣5次,若某一次采樣支援遠(yuǎn)大于其他幾次采樣的幅值,那么就舍取之。對(duì)于流量、壓力、液面、位移等參數(shù),往往在一定范圍內(nèi)頻繁波動(dòng),則采用算術(shù)平均法。

    (1)信號(hào)保護(hù)和恢復(fù):當(dāng)偶爾性故障發(fā)生時(shí),不破壞PLC內(nèi)部的信息,一旦故障現(xiàn)象消失,就可以恢復(fù)正常,繼續(xù)原來(lái)的工作。

    (2)故障診斷:系統(tǒng)軟件定期地檢測(cè)外界環(huán)境,如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過(guò)低及強(qiáng)干擾信號(hào)等,以便及時(shí)反映和處理。

    (3)加強(qiáng)對(duì)程序的檢查和校驗(yàn):一旦程序有錯(cuò),立即報(bào)警,并停止執(zhí)行程序。

    (4)設(shè)置警戒時(shí)鐘WDT:如果程序循環(huán)掃描執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了WDT規(guī)定的時(shí)間,預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán),立即報(bào)警。