模擬量及數字通信隔離電路

徐東明,王綿綿

（長春理工大學,130022）

模擬量及數字通信隔離電路

徐東明,王綿綿

（長春理工大學,130022）

自動控制系統中，經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，整個系統共用一個地，系統將工作在非常不穩定的狀態，存在一定的安全隱患。本文介紹的模擬及數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

隨著計算機通信技術的發展，集散控制系統得到廣泛應用。集散控制系統經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，也經常地采用主機通過RS-485對下位機進行巡檢，由于系統結構復雜，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，會有很大的風險，輕則抗干擾能力降低，嚴重情況下會造成系統不能夠進行通信甚至整個系統的損壞，因此，對模擬量及數字量進行隔離非常必要。

實現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直流信號傳輸的缺點而很少采用，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的模擬及數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限流驅動U2、U3兩個光電耦合器發光二極管發光，其反饋端接U2的三極管端發射極。模擬信號AIN輸入信號越大，U1輸出電壓越大，U2、U3的內部發光管發光越亮，其內部的光電三極管導通電阻越小，流經電阻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，會使運放負端的電壓滯后從而使輸出可能出現振蕩，因此加入1000p積分電容C2使輸出保持穩定。

U2的發射極電壓和AIN相等，U3由于和U2參數基本相同，因此其發射極電壓和U2發射極電壓也相等，也將等于AIN，因此實現了電壓隔離。一般該電路能夠達到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，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發送信號隔離，U2對RXD接收信號隔離，U3用來實現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。

電路的左側由嵌入式系統供電，供電電壓為5V。右側可以由主機統一供電，VDD2的供電電壓建議使用12V，采用三端穩壓器LM7805穩定到5V（VCC2）供6N137及MAX485使用。由于該電路耗電電流只有30mA左右，因此主機即使為20個從機通信電路供電，其耗電也只有600mA左右，采用5類網線即可滿足要求。如果要進一步降低功耗，可以把三端穩壓器LM7805改換為LM2576等開關穩壓電路，電流值粗算一下即可以降低一半。

當左側從機工作在接收狀態時，SELECT信號輸出高電平，U3的發光端不發光，因此U3的光電三極管截止，發射極電壓由于4.7k電阻R11的下拉作用接近0V，MAX485處于接收狀態。如果主機有數據發出，則U4的1腳有信號輸出，驅動光耦U2使RXD得到信號輸出。

當左側從機工作在發送狀態時，SELECT信號輸出低電平，U3的發光端發光，從而U3的光電三極管導通，發射極將有接近5V的電壓輸出，MAX485處于發送狀態。接下來如果從機有數據發出，則TXD信號通過U1的隔離，TXD2腳有信號輸出，進而驅動U4使TXD信號變成差動信號傳送給主機。

由于6N137有高達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，從機需要選通后延遲該時間才能進行數據發送。

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，從機需要使該光耦導通才能工作在接收狀態，如果出現從機斷電等問題，將占用RS-485總線妨礙總線數據通信，這將對系統帶來很大不便。

發光管D1及LED2分別對從機發送和接收數據進行指示。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，如果總線上通信設備不多，可以適當降低R3的阻值，使總線上的阻抗進一步降低，進一步提高抗干擾能力。

3 結束語

模擬信號及數字信號隔離應用十分廣泛，而模擬信號隔離與數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，可以采用數字通信辦法加以實現，即采集方通過ADC采集數據，通過隔離的數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.電子技術基礎.模擬部分(第五版)[M].高等教育出版社.2006

[2]康華光主編.電子技術基礎.數字部分(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