CN108923780A - 信号隔离电路和具有其的光耦通讯电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种信号隔离电路和具有其的光耦通讯电路。其中，该信号隔离电路中，采用包括第一反相器、第一光耦和第二光耦的信号隔离电路构成互补推挽式电路，由于该第一光耦的三极管发射极与电源直接电连接而不再串接电阻，因此第一光耦的三极管充放电时间达到最小，消除了第一光耦的三极管充放电时间对于识别电平持续时间的影响，从而提高了信号隔离电路的频率特性。通过本发明，解决了采用低速光耦隔离电路的通讯电路的通讯效率低的问题，提高了采用低速光耦隔离电路的通讯电路的通讯效率。

Description

信号隔离电路和具有其的光耦通讯电路
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种信号隔离电路和具有其的光耦通讯电路。
背景技术
目前空调等行业采用的485通讯和UART通讯方式，在收发两端都需要进行信号隔离处理。目前，进行信号隔离处理最普遍最合适的方式是通过光耦进行信号隔离。
在采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计时，光耦的传输特性(即传输速度)往往成为系统最大数据传输速率的决定因素。在许多总线式结构的工业测控系统中，为了防止各模块之间的相互干扰，同时不降低通讯波特率，不得不采用高速光耦来实现模块之间的进行相互隔离。图1是现有技术的具有信号隔离电路的光耦通讯电路的电路图，参考图1，由于低速光耦的光敏三极管的开关时间较高速光耦大，限制了低速光耦的频率特性，因此在通讯波特率较高的场景下无法使用低速光耦替代高速光耦。
例如，常用通讯波特率为9600bps，即9.6KHz，就是说发送端输出104us(1/9600)的方波。如图2所示，在采用低速光耦的情况下，接收端由于低速光耦的光敏三极管的开关需要时间(跟温度、电流有关，在图2所示情况下三极管达到饱和需要的时间大于36.5us)，导致识别电平只有67.5us。由于接收端识别所需时间的限制，67.5us的识别电平会导致接收端识别不出数据。
参考图2，以接收端RX-1为例，在接收端RX-1与VCC-1之间串联有电阻R2，该电阻R2的阻值选择既不能过大，也不能过小。在R2过小时，由于URX-1＝3.3-IcR2≥0.6V，这时会导致低电平过高，导致接收端的芯片无法识别出数据。按极限看R2最小为0，此时URX-1＝3.3V，接收端RX-1处电压不会改变，则接收端的芯片无法识别出数据。在R2过大时，由于三极管的集电极和发射极之间的分布电容Cce的存在，电容两端电压不能突变；R2越大，Cce需要充放电时间越长，导致了采用低速光耦的情况下，接收端的识别电平时间变小。
为了让接收端有足够的时间来识别，常用措施是将通讯波特率改为4800bps，即最小输出波形为208us的方波，这样接收端的波形就会相应加长，那么输出波形就是67.5+104us。
但是，通讯波特率从9600bps改为4800bps后，同等时间内发送/接收的数据量减少了一半，将会严重影响通讯效率。
然而，由于高速光耦价格高，如果采用高速光耦设计光耦隔离电路，则又将面临成本增加的问题。
综上所述，针对相关技术中采用低速光耦隔离电路的通讯电路的通讯效率低，或者采用高速光耦隔离电路的通讯电路的成本高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种信号隔离电路和具有其的光耦通讯电路，以至少解决相关技术中采用低速光耦隔离电路的通讯电路的通讯效率低的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种信号隔离电路，用于隔离发送端和接收端的信号，包括：第一反相器、第一光耦和第二光耦，其中：
所述第一反相器，其输入端与所述发送端电连接，其输出端输出发送端信号的反相信号；
所述第一光耦受到所述反相信号的控制，所述第二光耦受到所述发送端信号的控制，以使所述第一光耦和所述第二光耦根据所述发送端信号的相位变化而轮流导通；
所述第一光耦的三极管发射极与所述接收端电连接，所述第一光耦的三极管集电极与电源电连接；
所述第二光耦的三极管集电极与所述接收端电连接，所述第二光耦的三极管发射极接地。
第二方面，本发明实施例提供了一种光耦通讯电路，所述光耦通讯电路的接收通路和发送通路中的至少一个通路包括第一方面所述的信号隔离电路。
通过本发明实施例提供的信号隔离电路和具有其的光耦通讯电路，采用包括第一反相器、第一光耦和第二光耦的信号隔离电路构成互补推挽式电路，由于该第一光耦的三极管发射极与电源直接电连接而不再串接电阻，因此第一光耦的三极管充放电时间达到最小，消除了第一光耦的三极管充放电时间对于识别电平持续时间的影响，从而提高了信号隔离电路的频率特性，解决了采用低速光耦隔离电路的通讯电路的通讯效率低的问题，提高了采用低速光耦隔离电路的通讯电路的通讯效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术的具有信号隔离电路的光耦通讯电路的电路图；
图2是现有技术的低速光耦组成的信号隔离电路的发送端信号和接收端信号的波形图；
图3是根据本发明实施例的一个信号隔离电路的电路图；
图4是根据本发明实施例的另一个信号隔离电路的电路图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本实施例中提供了一种信号隔离电路，图3是根据本发明实施例的信号隔离电路的电路图，如图3所示，该电路包括：第一反相器1、第一光耦2和第二光耦3，其中：
所述第一反相器1，其输入端与所述发送端电连接，其输出端输出发送端信号的反相信号；
所述第一光耦2受到所述反相信号的控制，所述第二光耦3受到所述发送端信号的控制，以使所述第一光耦2和所述第二光耦3根据所述发送端信号的相位变化而轮流导通。
所述第一光耦2的三极管发射极与所述接收端电连接，所述第一光耦2的三极管集电极与电源电连接；所述第二光耦3的三极管集电极与所述接收端电连接，所述第二光耦3的三极管发射极接地。
采用上述的电路结构，当发送端TX输出一个电平时，第一光耦2和第二光耦3中的一个光耦导通，另一个光耦截止。在第一光耦2导通，第二光耦3截止时，接收端RX-1的电压被电源VCC-1拉升为高电平；在第一光耦2截止，第二光耦3导通时，接收端RX-1的电压被接地端GND-1拉低为低电平。又由于在第一光耦2和电源之间不再串接有电阻R2，因此，第一光耦2的三极管的集电极和发射极之间的电容Cce的充放电时间达到最小，消除了第一光耦的三极管充放电时间对于识别电平持续时间的影响，从而提高了信号隔离电路的频率特性。因此，即使第一光耦2采用低速光耦，也能够保证足够的识别电平持续时长。
可选地，所述第一光耦2的二极管正极与第一端子电连接，所述第一光耦2的二极管负极与第二端子电连接；所述第二光耦3的二极管正极与所述第二端子电连接，所述第二光耦3的二极管负极与所述第一端子电连接；其中，所述第一端子和所述第二端子中的一个端子为所述发送端，另一个端子为所述第一反相器1的输出端。
第一反相器1的输出端连接在第一光耦2的二极管正极还是连接在第二光耦3的二极管正极将会影响到接收端RX-1的相位。在接收端RX-1直接(或者经由限流电阻)与所述第一光耦2的三极管发射极或所述第二光耦3的三极管集电极电连接的情况下，如果将第一反相器1连接在第一光耦2的二极管正极(即第一端子为第一反相器1的输出端，第二端子为发送端)的情况下，接收端RX-1的电信号(方波)与发送端TX的电信号的相位刚好相反。反之，则接收端RX-1的电信号与发送端TX的电信号的相位相同。
其中，在接收端RX-1的电信号与发送端TX的电信号的相位相反的情况下，接收端在接收到电信号后，可以通过软件处理将信号反相之后再进行后续处理，反相处理后的信号与发送端信号是相同的信号。
在上述电路中，除了通过软件处理方式将接收端信号反相以得到与发送端相同相位的信号之外，还可以通过硬件的形式实现接收端信号与发送端信号的相位相同，即在上述电路的输出上再增加一个第二反相器4，如图4所示，经过第二反相器4对信号的反相处理，接收端RX-1接收到的信号的相位与发送端TX发送的信号的相位将保持一致。
可选地，参考图3和图4，在第一反相器1和第二反相器2的输出端分别串接有电阻R1和电阻R3，这两个电阻都起到限流的作用。
需要说明的是，在上述电路中，第一反相器1和第二反相器4省略了其他端子，例如反相器的接地端、反相器的比较电压端子等。但是，这些其他的端子的连接方式本领域技术人员均可以根据现有技术，按照本发明实施例在具体应用时的输入电压、输出电压的具体数值进行确定，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明实施例中采用的两个光耦优选为低速光耦，其中低速光耦是相对于高速光耦而言的，速率越高的光耦其频率特性约好，但价格相对于低速光耦而言将越贵。因此，在采用低速光耦时，在达到相同的频率特性时采用本发明实施例的方案能够降低隔离电路的成本。那么，可以预见，在将高速光耦应用到本发明实施例中组成本发明实施例的隔离电路时，则能够进一步提升频率特性，以支持更高的通讯效率。
在本实施例中还提供了一种光耦通讯电路。根据光耦通讯电路的发送端和接收端采用的通讯协议的不同，可以分为485通讯电路和UART通讯电路等。本实施例提供的光耦通讯电路并不限于何种通讯协议，实际上本实施例的光耦通讯电路能够适用于任意需要光耦隔离电路的通讯电路中，以提高光耦通讯电路的通讯效率。其中，在所述光耦通讯电路的接收通路和发送通路中的至少一个通路包括本发明上述实施例的信号隔离电路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种信号隔离电路，用于隔离发送端和接收端的信号，其特征在于，包括：第一反相器、第一光耦和第二光耦，其中：
所述第一反相器，其输入端与所述发送端电连接，其输出端输出发送端信号的反相信号；
所述第一光耦受到所述反相信号的控制，所述第二光耦受到所述发送端信号的控制，以使所述第一光耦和所述第二光耦根据所述发送端信号的相位变化而轮流导通；
所述第一光耦的三极管发射极与所述接收端电连接，所述第一光耦的三极管集电极与电源电连接；
所述第二光耦的三极管集电极与所述接收端电连接，所述第二光耦的三极管发射极接地。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述第一光耦的二极管正极与第一端子电连接，所述第一光耦的二极管负极与第二端子电连接；
所述第二光耦的二极管正极与所述第二端子电连接，所述第二光耦的二极管负极与所述第一端子电连接；
其中，所述第一端子和所述第二端子中的一个端子为所述发送端，另一个端子为所述第一反相器的输出端。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一端子为所述发送端，所述第二端子为所述第一反相器的输出端。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一端子为所述第一反相器的输出端，所述第二端子为所述发送端。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第二反相器和电阻R3，其中，
所述第二反相器的输入端与所述第一光耦的三极管发射极电连接，所述第二反相器的输出端经由所述电阻R3与所述接收端电连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：电阻R1，所述电阻R1串接在所述第一反相器的输出端上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电路，其特征在于，所述第一光耦和所述第二光耦均为低速光耦。
8.一种光耦通讯电路，其特征在于，所述光耦通讯电路的接收通路和发送通路中的至少一个通路包括如权利要求1至7中任一项所述的信号隔离电路。
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