光電耦合器在并口長(zhǎng)線傳輸中的應(yīng)用

1 引言
    光電耦合器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)光耦)是一種由發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現(xiàn)電→光→電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并且輸入信號(hào)與輸出信號(hào)隔離。目前絕大多數(shù)的光耦輸入采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，輸出采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。因?yàn)榉逯挡ㄩL(zhǎng)900～940 nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)相吻合，可獲得較高的信號(hào)傳輸效率。
    并行接口又簡(jiǎn)稱(chēng)為“并口”，是一種增強(qiáng)了的雙向并行傳輸接口。所謂“并口”，是指8位數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)并行線傳送，數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，但并行傳送的線路長(zhǎng)度受到限制。所謂“長(zhǎng)線”是相對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速度而言。例如，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600 b／s時(shí)，20 m的電纜即可認(rèn)為是長(zhǎng)線。傳輸線長(zhǎng)度增加，干擾就會(huì)增加，容易出錯(cuò)，使信號(hào)無(wú)法遠(yuǎn)距離傳輸。對(duì)傳輸線進(jìn)行“隔離”和“浮地”處理，是解決上述問(wèn)題的較好方法。采用光電隔離電路，可去掉數(shù)據(jù)交換的兩設(shè)備之間的公共地線，使兩設(shè)備電氣隔離翻。同時(shí)，在電→光→電信號(hào)的轉(zhuǎn)換中，就光電耦合器件而言，只要其輸入端有一定的電流，其輸出端就能輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。因此，邏輯電平的信號(hào)傳遞變成了固定的電流環(huán)中電流有否的狀態(tài)傳遞。適當(dāng)增大電流(低阻傳輸)，使夾雜在信號(hào)中的電氣噪聲被完全限制在所選擇的開(kāi)關(guān)電流幅度內(nèi)，即相對(duì)弱小的干擾信號(hào)電流無(wú)法改變有用信號(hào)電流的有無(wú)狀態(tài)，就可有效地抑制干擾，提高信息傳輸?shù)目煽啃浴２⒃黾訑?shù)據(jù)的傳輸距離。光耦合器一般由光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大組成。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光。被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸人端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

2 光電耦合器的性能特點(diǎn)
    光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸人端與輸出端完全實(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。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開(kāi)關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在開(kāi)關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。
    光耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極一發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極一發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)，此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)問(wèn)、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)。電流傳輸比CTR是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，其等于直流輸出電流IC與直流輸入電流，IF的百分比：CTR=IC／IF×100％。
    采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍為20％～300％(如4N35)，而PC817為80％～160％，達(dá)林頓型光耦合器(如430)可達(dá)100％～5000％。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。

3 光電耦合器的選取原則
    在設(shè)計(jì)光耦光電隔離電路時(shí)必須正確選擇光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下：
    (1)由于光電耦合器為信號(hào)單向傳輸器件，而電路中數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，電路板的尺寸要求一定，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，就要選擇單芯片集成多路光耦的器件；
    (2)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是不小于500％。因?yàn)楫?dāng)CTR<500％時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(>5.0 mA)，才能保證信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中不發(fā)生錯(cuò)誤，這會(huì)增大光耦的功耗；
    (3)光電耦合器的傳輸速度也是選取光耦必須遵循的原則之一，光耦開(kāi)關(guān)速度過(guò)慢，無(wú)法對(duì)輸入電平做出正確反應(yīng)，會(huì)影響電路的正常工作。
    (4)推薦采用線性光耦。其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。設(shè)計(jì)中由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號(hào)，故此，電路工作在非線性狀態(tài)。而在線性應(yīng)用中，因?yàn)樾盘?hào)不失真的傳輸，所以，應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在線性狀態(tài)。
    通常情況下，單芯片集成多路光耦的器件速度都比較慢，而速度快的器件大多都是單路的，大量的隔離器件需要占用很大布板面積，也使得設(shè)計(jì)的成本大大增加。在設(shè)計(jì)中，受電路板尺寸、傳輸速度、設(shè)計(jì)成本等因素限制，無(wú)法選用速度上非常占優(yōu)勢(shì)的單路光耦器件，在此選用TOSHIBA公司的TLP521-4。

4 TLP521-4簡(jiǎn)介
    光電隔離模塊TLP521-4(GB)是一款具有完整基極一發(fā)射極的性能優(yōu)良的固定延時(shí)光電耦合器，它具有最優(yōu)轉(zhuǎn)換速度、高溫性能等特點(diǎn)。該器件主要特性：電流轉(zhuǎn)換率為100％～500％；隔離電壓為2 500 Vrms(min)；發(fā)射一接收電壓為55 V(min)；泄漏電流為lOμA(max)(Ta=85℃)；最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為42μs。
    TLP52l-4(GB)的典型電路如圖1所示，具體的轉(zhuǎn)換時(shí)間參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，TLP521_4(GB)最大傳輸延遲時(shí)間為42μs，系統(tǒng)需要在1 ms內(nèi)完成8個(gè)字節(jié)的讀或?qū)?，最大傳輸延遲時(shí)間已滿(mǎn)足電路傳輸延遲時(shí)間的水平，因而在傳輸速度上完全能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)線傳輸?shù)囊蟆Ｍㄟ^(guò)對(duì)其輸入端的控制，可使光耦按工作需要打開(kāi)或關(guān)閉。當(dāng)在輸入控制端加高電平時(shí)，光耦正常工作。將輸入端信號(hào)耦合到輸出端，而當(dāng)在輸入控制端加低電平時(shí)，其輸出端集電極開(kāi)路三極管截止，對(duì)外呈高阻態(tài)。

[!--empirenews.page--]5 電路設(shè)計(jì)
    在長(zhǎng)線傳輸中，正是因?yàn)榈鼐€的交流阻抗特性，使得地線成了電路中事實(shí)上的最大噪聲源。地線造成干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。南于發(fā)送和接收設(shè)備共用一段地線，會(huì)形成公共阻抗耦合。采用光電隔離器TLP521-4對(duì)發(fā)送和接收設(shè)備進(jìn)行電氣隔離，對(duì)于減小交流阻抗的作用十分明顯，進(jìn)而增大傳輸電流，有效地抑制地線噪聲；同時(shí)由于74LS244N的應(yīng)用?？偩€驅(qū)動(dòng)能力得到保障。圖2為光耦發(fā)送和接收電路示意圖。圖2中，上半部?jī)晒怦钭宰笙蛴覀鬏斝盘?hào)，下半部?jī)晒怦钭杂蚁蜃髠鬏斝盘?hào)，左端74LS244N通過(guò)靜態(tài)存儲(chǔ)器IDT7132與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，右端通過(guò)8255與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
    調(diào)試中，輸入周期為100μs，占空比為1／2的+5 V方波，對(duì)一路光耦的輸入端波形和經(jīng)過(guò)20 m長(zhǎng)線后接收光耦的輸出端波形以及經(jīng)過(guò)74LS244整形后的波形進(jìn)行記錄。記錄結(jié)果如圖3所示。

    從輸入輸出波形的比較來(lái)看，電路能對(duì)輸入波形中疊加的噪聲干擾具有明顯的抑制作用，使輸出波形變得光滑且穩(wěn)定，提高了輸出信噪比。雖然由于光耦的轉(zhuǎn)換時(shí)間問(wèn)題，波形的占空比發(fā)生了微量變換，但是由于電路輸入輸出均是一種高低電平信號(hào)，故不影響信號(hào)的正確傳輸。

6 結(jié)語(yǔ)
    采用上述方法應(yīng)用于并口長(zhǎng)線傳輸電路，能夠在保持并口傳輸?shù)乃俣葍?yōu)勢(shì)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變時(shí)，保證信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在長(zhǎng)距離的并口傳輸中，只要對(duì)原來(lái)短距離并口電路稍加改動(dòng)，就可以保證通信雙方的高速隔離并進(jìn)行通信，因而具有較大實(shí)用價(jià)值。