模拟量及数字通信隔离电路

徐东明,王绵绵

（长春理工大学,130022）

模拟量及数字通信隔离电路

徐东明,王绵绵

（长春理工大学,130022）

自动控制系统中，经常需要对模拟量的集中输入或集中输出及通过RS-485总线的主从式控制。如果不加以隔离，整个系统共用一个地，系统将工作在非常不稳定的状态，存在一定的安全隐患。本文介绍的模拟及数字通信隔离电路可以根本上解决上述问题。

模拟量隔离;通信隔离;RS-485

0 引言

随着计算机通信技术的发展，集散控制系统得到广泛应用。集散控制系统经常地需要把不同的模拟量集中到一个采集单元或者把一批模拟量输出到各个不同单元使用，也经常地采用主机通过RS-485对下位机进行巡检，由于系统结构复杂，分布范围广，接地的问题非常突出，如果整个分布式电路共地，会有很大的风险，轻则抗干扰能力降低，严重情况下会造成系统不能够进行通信甚至整个系统的损坏，因此，对模拟量及数字量进行隔离非常必要。

实现电的隔离基本上有磁隔离和光隔离两种方法，而磁隔离由于使用铜及铁芯体积笨重且不能实现直流信号传输的缺点而很少采用，因此信号隔离基本上采用的都是光隔离方法。下面分别介绍采用光电耦合器实现的模拟及数字通信两种隔离电路。

1 模拟量隔离电路

模拟量隔离电路如图1所示，是一个电压到电压即V-V隔离电路。电路左半部分由VDD1供电，隔离的另一端由DC-DC模块隔离供电。模拟电压由AIN输入，运放U1对输入模拟量正向跟随，输出通过1k电阻R8限流驱动U2、U3两个光电耦合器发光二极管发光，其反馈端接U2的三极管端发射极。模拟信号AIN输入信号越大，U1输出电压越大，U2、U3的内部发光管发光越亮，其内部的光电三极管导通电阻越小，流经电阻R8的电流越大，R8上的电压越大，运放V-的电压越大，因此可以看出这是一个负反馈。由于这个反馈回路包含了光耦U2，由于光耦的滞后，会使运放负端的电压滞后从而使输出可能出现振荡，因此加入1000p积分电容C2使输出保持稳定。

U2的发射极电压和AIN相等，U3由于和U2参数基本相同，因此其发射极电压和U2发射极电压也相等，也将等于AIN，因此实现了电压隔离。一般该电路能够达到5‰的精度，满足一般要求。

运放U1的输出电流为AIN/R8，如果AIN的输入电压为0-5V，则运放的输出电流为0-5mA，如果输入电压范围较大，可以适当把电阻R8及R9改大些。

电压输出部分如果配合上如图2所示的电压-电流变换电路，可以变成电流源远程传送出去。图2中，电流输出值等于V_ IN与电阻R7的比值，如果V_IN的输入范围为0-5V，则电流输出为0-20mA。

图1、模拟量隔离电路

图2电路可以用于诸如变频器的频率控制。

图2 、电压-电流变换电路

DC-DC模块的选型也需要加以注意，如果模拟电压AIN的范围为0-10V，由于一般通用运放输出电压比供电电压小1.5V左右，因此需要DC-DC模块有12V的输出电压。整个电路由于工作电流在20mA以内，因此DC-DC的功率选择1W的即可。

2 RS-485通信隔离电路

RS-485通信隔离电路如图3所示。其中U1对TXD发送信号隔离，U2对RXD接收信号隔离，U3用来实现RS-485信号的输入与输出控制。由于TXD及RXD的工作速度较快，因此U1、U2选择高速光耦6N137，而方向选择由于对速度要求不高而采用普通的光耦PC817。

电路的左侧由嵌入式系统供电，供电电压为5V。右侧可以由主机统一供电，VDD2的供电电压建议使用12V，采用三端稳压器LM7805稳定到5V（VCC2）供6N137及MAX485使用。由于该电路耗电电流只有30mA左右，因此主机即使为20个从机通信电路供电，其耗电也只有600mA左右，采用5类网线即可满足要求。如果要进一步降低功耗，可以把三端稳压器LM7805改换为LM2576等开关稳压电路，电流值粗算一下即可以降低一半。

当左侧从机工作在接收状态时，SELECT信号输出高电平，U3的发光端不发光，因此U3的光电三极管截止，发射极电压由于4.7k电阻R11的下拉作用接近0V，MAX485处于接收状态。如果主机有数据发出，则U4的1脚有信号输出，驱动光耦U2使RXD得到信号输出。

当左侧从机工作在发送状态时，SELECT信号输出低电平，U3的发光端发光，从而U3的光电三极管导通，发射极将有接近5V的电压输出，MAX485处于发送状态。接下来如果从机有数据发出，则TXD信号通过U1的隔离，TXD2脚有信号输出，进而驱动U4使TXD信号变成差动信号传送给主机。

由于6N137有高达10kV/uS的摆率，因此可以完全满足串行通信的要求。需要注意的是PC817的上升时间有几十微秒，从机需要选通后延迟该时间才能进行数据发送。

事实上U3也不适合用6N137来代替，因为6N137是集电极开路（OC）输出，工作时需要上拉电阻，平时工作时，从机需要使该光耦导通才能工作在接收状态，如果出现从机断电等问题，将占用RS-485总线妨碍总线数据通信，这将对系统带来很大不便。

发光管D1及LED2分别对从机发送和接收数据进行指示。电阻R3、R4及R5用来使RS-485总线有一个上拉作用，使总线增加抗干扰能力，如果总线上通信设备不多，可以适当降低R3的阻值，使总线上的阻抗进一步降低，进一步提高抗干扰能力。

3 结束语

模拟信号及数字信号隔离应用十分广泛，而模拟信号隔离与数字信号隔离比较难度会大些。本文介绍的模拟信号隔离精度虽然可以达到0.5%，满足一般要求，但对于精度要求比较高的场合，可以采用数字通信办法加以实现，即采集方通过ADC采集数据，通过隔离的数字通信传送给接收方，接收方把接收到的信号直接存储显示或通过DAC变成模拟量。

[1]康华光主编.电子技术基础.模拟部分(第五版)[M].高等教育出版社.2006

[2]康华光主编.电子技术基础.数字部分(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

图3 、RS-485通信隔离电路