CN1032986A - 多通道光电耦合采样开关器 - Google Patents

Abstract

一种多通道光电耦合采样开关器，它是将多个由 光耦合器、晶体三极管、电阻及保护电路组成的七端 网络单元之输出端并联，在总输出端串接一个防电平 抖动平衡网络，并组装在一只盒式容器内的组件。它 必须也只需与一个隔离式I/V转换器配合使用，即 可实现对多个模拟量通道间的切换与隔离。其电路 简单，体积小，工作可靠，成本低，且调试方便，易于单 个制作或成批生产系列化产品。可广泛应用于自动 化仪表、计算机控制的多通道数据采集系统中，以提 高系统抗干扰能力。

Description

本发明涉及多通道自动化数据采集的信号传送、切换及通道隔离组件，特别涉及一种多通道光电耦合采样开关器。

传感器检测到的微弱电信号长线传输时，通常采用电流传送信号并进行隔离的方案，以提高抗干扰能力。目前，光耦合器用于数字量信号或开关量信号的隔离传送已广泛应用。由于半导体器件的非线性，对于模拟量信号的直接传送仍然采用磁耦合隔离方法。常用产品是隔离式I/V转换器。如果用电流信号进行长线传送，每个通道都要配用一个隔离式I/V转换器。传感器检测到的弱信号由变送器放大并转换为电流信号，经传输线在接收端又用隔离式I/V转换器将电流信号转换成电压信号，再作信号处理。对于多通道数据采集系统来说，存在着电路复杂，体积大，价格贵，调试不便等问题。

本发明的目的是以光耦合器为主组成一种多通道采样开关器，而且只需要配用一个隔离式I/V转换器，即可实现对多个模拟量通道间的切换与隔离。

多通道被检测的物理量，经过传感器与变送器转换成在一定范围内（如0～10毫安）相应变化的电流信号用长线传送。本发明对各通道的电流信号，可按要求逐个切换接入隔离式I/V转换器，再转变成电压信号，经模数转换器转换成数字量，然后输入计算机。

本发明是将多个由光耦合器、晶体三极管、电阻及保护电路组成的七端网络单元之输出端并联，在总输出端串接一个防电平抖动平衡网络，并组装在一只盒式容器内的组件。它具有多对输入端和一对输出端。各网络单元分别受控制电路控制。它必须也只需要配用一个隔 离式I/V转换器，即可实现对多个模拟量通道间的切换与隔离。

多通道光电耦合采样开关器电路简单，体积小，工作可靠，成本低，且调试方便，易于单个制作或成批生产系列化产品。

本发明有如下附图：

图1为多通道光电耦合采样开关器单个通道电路图;

图2为多通道光电耦合采样开关器另一种单个通道电路图;

图3为用光耦合器构成的保护电路图;

图4为用稳压二极管构成的保护电路图;

图5为防电平抖动平衡网络电路图。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1、2示出的单个通道电路图都是一个七端网络单元。C₁、E₂端子为输入端，E₁、C₂端子为输出端，M、N端子为控制端，外接控制电路，其中N端子接地，H端子为电源端，接正电源+E，光耦合器G₁、G₂型号相同。

输入端C₁是光耦合器G₁的受光三极管的集电极，输入端E₂是光耦合器G₂的受光三极管的发射极;输出端E₁是光耦合器G₁的受光三极管的发射极，输出端C₂是光耦合器G₂的受光三极管的集电极;控制端M经基极电阻R_B1接驱动晶体三极管T₁的基极，控制端N是驱动晶体三极管T₁的发射极，接地为零电位;光耦合器G₁、G₂中的发光二极管有串、并联两种接法。图1为串联接法，光耦合器G₁的发光二极管负极与光耦合器G₂的发光二极管正极相连，光耦合器G₁的发光二极管正极经负载电阻R_D1与正电源+E连接，光耦合器G₂的发光二极管负极与驱动晶体三极管T₁的集电极连接;图2为并联接法，光耦合器G₁的发光二极管正极与光耦合器G₂的发光二极管正极相连，并经负载 电阻R_D1与正电源+E连接，光耦合器G₁的发光二极管的负极与光耦合器G₂的发光二极管负极相连，并与驱动晶体三极管T₁的集电极连接;保护电路BH是一个五端网络或二端网络，五端网络或二端网络的两个端子跨接在七端网络单元的输入端C₁、E₂，五端网络的其它三个端子中的H端接正电源+E，F端接驱动晶体三极管T₁的集电极，N端即驱动晶体三极管T₁的发射极接地为零电位。

防电平抖动平衡网络是一个四端网络，如图5所示。其输入端之一是光耦合器G₁的受光三极管的发射极E₁，即七端网络单元的输出端E₁，输入端之二是光耦合器G₂的受光三极管的集电极C₂，即七端网络单元的输出端C₂，输出端为S、K。E₁、S端间有一个可变电阻R_W1，C₂、K端间有一个可变电阻

、K端间跨接有电容器C^＊。

控制电路KZ可以直接选用各种型号的微处理器系列中的输入/输出接口电路，也可以用分立元器件组成。

对于光耦合器G₁、G₂发光二极管串联连接的七端网络单元，给光耦合器G₁、G₂的发光二极管加上足以使受光三极管处于深度饱和的工作电流，即控制电流I_D，则光耦合器G₁的C₁、E₁端间以及光耦合器G₂的E₂、C₂端间相当于短接，模拟信号电流可以顺利通过。反之，断开I_D，则C₁、E₁端间以及C₂、E₂端间相当于开路。

然而，实际上在C₁、E₁端间以及C₂、E₂端间饱和导通时，仍有0.1～0.4伏左右的饱和压降，这与信号电流的大小以及所选用的光耦合器的型号有关。此饱和压降可以视为存在动态电阻

和 。如果信号源变送器为恒流输出，其输出电阻为R_SC，负载电阻即I/V转换器的输入电阻R_Sr，则只要满足：

$R_{s_c}>>R_{c_1}{E}_1+R_{c_1}{E}_2+R_{\mathrm{Sr}}+R_{W1}+R_{W2}$

就可保证信号源变送器恒流输出，串联电路中各点电流相等。因此，动态电阻

和 的存在及其变化对模拟信号电流的传输无影响。

由于变送器都是高阻恒流输出，I/V转换器也都是低阻输入，可变电阻R_W1和R_W2根据实际负载调整（阻值可以为O），所以上述关系式容易满足。

光耦合器G₁、G₂发光二极管并联连接的七端网络单元，与串联连接的七端网络单元实质上是相同的。区别在于流过驱动晶体三极管T₁的控制电流的大小不同，因此，负载电阻R_D1的取值不同，驱动晶体三极管T₁的型号参数也不同。

以下就光耦合器G₁、G₂中的发光二极管串联连接的七端网络单元中保护电路BH（见图1）的两种不同网络形式，介绍本发明的两个实施例。

实施例1：图3为实施例1的一种五端网络形式的保护电路。光耦合器G₃与图1、2中的光耦合器G₁、G₂的型号相同。晶体三极管T₂为光耦合器G₃的驱动晶体三极管，与图1、2中的驱动晶体三极管T₁的型号相同。电阻R_B2为驱动晶体三极管T₂的基极电阻，电阻R_D2为光耦合器G₃中发光二极管的负载电阻。电阻R^＊是模拟通道负载电阻，其取值应尽可能符合如下关系式：

R^＊＝Rsr+Rc₁E₁+

或者R^＊＝Rsr+Rc₂E₂+

当控制电路KZ发出启动该通道采样的信号即输出高电平时，晶体三极管T₁饱和导通。驱动光耦合器G₁、G₂同时饱和导通。此时F端为低电位，使驱动晶体三极管T₂截止，因而光耦合器G₃截止，C₁、E₂端间断开。信号电流从变送器一个输出端流出，经光耦合器G₁的C₁端到E₁端，再经过防电平抖动平衡网络的S端流入隔离式I/V转换器 的一个输入端，又从另一个输入端流出，经过防电平抖动平衡网络的K端到C₂端，再经过光耦合器G₂的E₂端流入变送器的另一个输出端，从而构成闭合回路。这样信号电流就从变送器经过光耦合器G₁、G₂传送到隔离式I/V转换器，经I/V转换器转换成信号电压。该信号电压又经模数转换器转换成数字量，然后输入计算机中，从而实现了隔离式数据采集。

而当控制电路KZ发出关闭该通道采样的信号即输出低电平时，晶体三极管T₁截止，使光耦合器G₁、G₂也同时截止，该通道切断。此时F端为高电位，使驱动晶体三极管T₂饱和导通，从而使光耦合器G₃也饱和导通。此时相当于在光耦合多路采样开关器C₁、E₂端间接入负载电阻R^＊。变送器输出的信号电流经光耦合器G₃，负载电阻R^＊，流回变送器。保护恒流源不致因通道的切断而电压上升造成故障。

图1、3中的光耦合器G₁、G₂、G₃型号为G0103（参见苏州半导体总厂企业标准）;驱动晶体三极管T₁、T₂型号为3DK;电阻R_D1、R_D2为68欧;电阻R_B1、R_B2为470欧;电阻R^＊为270欧。电源+E为+5伏。图5中的可变电阻R_W1、R_W2为470欧电位器，电容C^＊为0.47微法。

光耦合器G₁、G₂的关断和光耦合器G₃的饱和是同步进行的，反之亦然。因此该实施例的采样速度比较快，而且各通道的关闭和导通比较平滑，不会发生较大的电压抖动，适合于采样频率较快的系统中使用。

实施例2：图4为实施例2的一种二端网络形式的保护电路。它实际上是一个稳压二极管DW，跨接在多通道光电耦合采样开关器的输入端C₁、E₂之间。

当控制电路KZ发出启动该通道采样的信号即输出高电平时，晶体三极管T₁饱和导通，驱动光耦合器G₁、G₂同时饱和导通。此时C₁、E₂间的电位差低于稳压二极管DW的反向击穿电压（选择稳压二极管型号及参数可以满足要求），使稳压二极管DW处于截止状态，C₁、E₂端间断开。信号电流从变送器一个输出端流出，经光耦合器G₁的C₁端到E₁端，再经过防电平抖动平衡网络的S端流入隔离式I/V转换器的一个输入端，又从另一个输入端流出，经过防电平抖动平衡网络的K端到C₂端，再经过光耦合器G₂的E₂端流入变送器的另一个输出端，从而构成闭合回路。这样信号电流就从变送器经过光耦合器G₁和G₂传送到隔离式I/V转换器，经I/V转换器转换成信号电压。该信号电压又经模数转换器转换成数字量，然后输入计算机中，从而实现了隔离式的数据采集。

而当控制电路KZ发出关闭该通道采样的信号即输出低电平时，晶体三极管T₁截止，使光耦合器G₁、G₂也同时截止，该通道切断。此时C₁、E₂间的电位差突然升高，使稳压二极管DW击穿导通，形成回路。保护恒流源不致因通道切断而电压上升造成故障。

图4中的稳压二极管DW型号为2CW60。

本实施例电路简单，元器件少，成本低。但采样速度相对比较慢，只适用于一般的工业现场检测控制。

Claims (1)

1、一种多通道光电耦合采样开关器，其特征在于它是将多个由光耦合器、晶体三极管、电阻及保护电路组成的七端网络单元之输出端并联，在输出端串接一个防电平抖动平衡网络，并组装在一只盒式容器内的组件，它具有多对输入端和一对输出端，各网络单元分别受控制电路控制，七端网络单元的构成是：

1.1G₁、E₂端子为输入端，输入端C₁是光耦合器C₁的受光三极管的集电极，输入端E₂是光耦合器G₂的受光三极管的发射极；

1.2E₁、C₂端子为输出端，输出端E₁是光耦合器G₁的受光三极管的发射极，输出端C₂是光耦合器G₂的受光三极管的集电极；

1.3M、N端子为控制端，控制端M经基极电阻R_B1接驱动晶体三极管T₁的基极，控制端N是驱动晶体三极管T₁的发射极，接地为零电位，H端子为电源端，接正电源+E；

1.4光耦合器G₁、G₂中的发光二极管有串并联两种接法，串联接法是光耦合器G₁的发光二极管负极与光耦合器G₂的发光二极管正极相连，光耦合器G₁的发光二极管正极经负载电阻R_D1与正电源+E连接，光耦合器G₂的发光二极管负极与驱动晶体三极管T₁的集电极连接，并联接法是光耦合器G₁的发光二极管正极与光耦合器G₂的发光二极管正极相连，并经负载电阻R_D1与正电源+E连接，光耦合器G₁的发光二极管负极与光耦合器G₂的发光二极管负极相连，并与驱动晶体三极管T₁的集电极连接；

1.5保护电路是一个五端网络或二端网络，五端网络或二端网络的两个端子跨接在七端网络单元的输入端C₁、E₂、五端网络的其它三个端子，其一接正电源+E、其二接驱动晶体三极管T₁的集电极，其三接地为零电位。

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