基于Multisim光耦隔離放大電路課程設計

1、光耦隔離放大電路沈 陽 工 程 學 院課 程 設 計設計題目： 隔離放大電路 系 別 自動控制工程系 班級 測控本091 學生姓名 莊國慶 學號 2009308126 指導教師 黃碩 職稱 講師 起止日期：2011年 5月 9日起至 2011年 5月 13日止沈陽工程學院課程設計任務書課程設計題目： 光耦隔離放大電路 系 別 自控系 班級 測控本091 學生姓名 莊國慶 學號 2009308126 指導教師 黃碩 職稱 講師 課程設計進行地點： 任 務 下 達 時 間： 2011年 5 月 9 日 起止日期：2011年 5月 9 日起至 2011年 5 月 13日止 教研室主任 2011 年

2、月 日批準隔離放大電路的設計1 設計主要內容及要求1.1 設計目的：（1）掌握隔離放大電路的構成，原理與設計方法；（2）熟悉模擬元件的選擇，使用方法。1.2基本要求：（1）輸入信號為方波，幅度1V，頻率100Hz40kHz；（2）采用適當?shù)母綦x設備不影響信號提供者;（3）輸出信號上升及下降時間占有方波周期的5%以下；（4）輸出信號幅度不低于3V。1.3發(fā)揮部分：（1）tpd<100s；（2）幅度分段可調；（3）其他。2 設計過程及論文的基本要求：2.1 設計過程的基本要求（1）基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選2個方向：（2）符合設計要求的報告一份，其中包括邏輯電路圖、實際接線圖各一份；（

3、3）設計過程的資料、草稿要求保留并隨設計報告一起上交；報告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。2.2 課程設計論文的基本要求（1）參照畢業(yè)設計論文規(guī)范打印，文字中的小圖需打印。項目齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為A3，附錄中的大圖可以手繪，所有插圖不允許復印。（2）裝訂順序：封面、任務書、成績評審意見表、中文摘要、關鍵詞、目錄、正文（設計題目、設計任務、設計思路、設計框圖、各部分電路及參數(shù)計算（重要）、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結、參考文獻、附錄（邏輯電路圖與實際接線圖）。3 時間進度安排順序階段日期計 劃 完 成 內 容備注12010.5.24講解主要設計內容，學生根據(jù)任務

4、書做出原始框圖打分22010.5.25檢查框圖及初步原理圖完成情況，講解及糾正錯誤打分32010.5.26檢查邏輯圖并指出錯誤及糾正；講解接線圖繪制及報告書寫打分42010.5.27繼續(xù)修正邏輯圖，指導接線圖繪制方法，布置答辯打分52010.5.28答辯、寫報告打分沈 陽 工 程 學 院模擬電子技術 課程設計成績評定表系（部）：自控系 班級：測控本091 學生姓名： 莊國慶 指 導 教 師 評 審 意 見評價內容具 體 要 求權重評 分加權分調研論證能獨立查閱文獻,收集資料；能制定課程設計方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認真，遵守紀律，出勤情況是否良好，能夠獨立完成設計工作，

5、 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設計任務，工作量飽滿，難度適宜。0.25432說明書的質量說明書立論正確，論述充分，結論嚴謹合理，文字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導教師評審成績（加權分合計乘以12） 分加權分合計指 導 教 師 簽 名： 年 月 日評 閱 教 師 評 審 意 見評價內容具 體 要 求權重評 分加權分查閱文獻查閱文獻有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書的質量說明書立論正確，論述充分，結論嚴謹合理，文字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范

6、。0.35432評閱教師評審成績（加權分合計乘以8）分加權分合計評 閱 教 師 簽 名： 年 月 日課 程 設 計 總 評 成 績分中 文 摘 要 本文主要通過光耦隔離放大電路，對光電耦合器4N25及放大電路和電壓跟隨器中的放大器件TL084的特性進行簡要描述和分析。 光耦隔離放大電路主要由電壓串聯(lián)負反饋放大電路 光電耦合器和電壓跟隨器三部分組成。其中光電耦合器是本次設計的關鍵。光耦的工作原理包括：光的發(fā)射、光的接收及信號放大三個環(huán)節(jié)。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離

7、的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，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入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比，光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。在放大電路中采用電壓串聯(lián)負反饋電路，對輸入的信號進行比例放大輸出，并且由于采用負反饋，這樣就可以使電

8、路具有較好的恒壓輸出特性。在整個電路的輸出端與電壓更隨器連接，以進一步使電路達到良好穩(wěn)壓輸出效果。關鍵詞 隔離放大器 光耦 電壓放大電路 電壓跟隨器22 - 目 錄課程設計任務書II隔離放大電路的設計III模擬電子技術 課程設計成績評定表IV中 文 摘 要V目 錄11.設計任務描述21.1 設計題目:21.2 設計要求：21.2.1 設計目的：21.2.2 基本要求：21.2.3發(fā)揮部分：22.設計思路33.基本框架44.模塊細節(jié)及各部分電路設計及參數(shù)計算54.1方波信號輸入542電源提供電流進入光耦圖64.2.1 光偶的一些參數(shù)64.2.2分析94.2.3放大電路的選擇及計算94.2.4 光

9、耦簡圖114.2.5 CTR的計算114.3 的計算114.4 電壓跟隨器的設計圖124.5 方波仿真信號輸出124.6.注意的問題135.電路元件清單146.主要元器件介紹156.1光耦數(shù)據(jù)單156.2 TLO84的數(shù)據(jù)單177.小結198.參考文獻219.附錄22 1.設計任務描述1.1 設計題目:1.2 設計要求：1.2.1 設計目的：（1）掌握隔離放大電路的構成，原理與設計方法；（2）熟悉模擬元件的選擇，使用方法。1.2.2 基本要求：（1）輸入信號為方波，幅度1V，頻率100Hz40kHz；（2）采用適當?shù)母綦x設備不影響信號提供者;（3）輸出信號上升及下降時間占有方波周期的5%以下；

10、（4）輸出信號幅度不低于3V。1.2.3發(fā)揮部分：（1）tpd<100s；（2）幅度分段可調；（3）其他。2.設計思路 光耦合器（optical coupler， 英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。  光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入和輸出隔離

11、的作用。  光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離；輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強；由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力；另外，它還有工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高等優(yōu)點。而我的電路圖設計步驟：（1）確定目標：設計整個系統(tǒng)是由哪些模塊組成及明確他們的各自功能，通過各個模塊之間的信號傳輸，實現(xiàn)信號的比例放大、光-電-光轉化以及電壓跟隨等目的。并畫出線性直流穩(wěn)壓電源方框圖。（2）系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。（3）功能分析：分析各模塊在此部分所起到的作用。（4）參數(shù)選擇：根據(jù)

12、系統(tǒng)指標的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)。（5） 總電路圖：連接各模塊電路，整體分析。基本設計思路為：1 利用放大電路提供光耦所需的電流2 通過光耦對輸入信號進行隔離放大3 通過電壓跟隨器，使輸出信號穩(wěn)定3.基本框架光耦隔離方波信號輸入方波信號的放大 方波信號輸出電壓跟隨器 基本原理：1. 通過電壓提供電流，利用放大器改變電流的大小，從而使輸入電流在所選光耦的線性區(qū)，使光耦起到隔離放大的作用。2. 在光電耦合器輸入端加的電流信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉換。 3. 在電

13、路中加入電壓跟隨器使其在電路中不至于消耗電壓。4.模塊細節(jié)及各部分電路設計及參數(shù)計算4.1方波信號輸入輸入信號仿真圖42電源提供電流進入光耦圖 圖4.2.14.2.1 光偶的一些參數(shù)Maximum Ratings T =25°CAEmitterReverse Voltage.6.0 VForward Current .60 mASurge Current (t10 s).2.5 APower Dissipation.100 mWDetectorCollector-Emitter Breakdown Voltage.70 VEmitter-Base Breakdown Voltage.

14、7.0 VCollector Current.50 mACollector Current(t <1.0 ms).100 mAPower Dissipation.150 mWPackageIsolation Test Voltage.5300 VRMSCreepage. 7.0 mmClearance . 7.0 mmIsolation Thickness between Emitter and Detector. 0.4 mmComparative Tracking Index per DIN IEC 112/VDE0303, part 1. 175Isolation Resistan

15、ce12V=500 V, T =25°C.10 ?IO A11V =500 V, T =100°C. 10 ?IO AStorage Temperature.55°C to +150°COperating Temperature.55°C to +100°CJunction Temperature. 100°CSoldering Temperature (max. 10 s, dip soldering:distance to seating plane 1.5 mm). 260°C4.2.2分析1.由上面的數(shù)據(jù)單

16、可知，發(fā)光二極管的工作區(qū)域的電流為為了使其工作在最佳狀態(tài)只有加一個放大器。2.由圖可知當時左右，這里我設置一個50的保護電阻，由此可推出放大后的電壓為，所以放大器的放大倍數(shù)為四倍。4.2.3放大電路的選擇及計算1.放大電路我們根據(jù)已學的知識，優(yōu)先考慮集成運算放大器且講其設置成同相放大器。2. 同相比例放大電路圖：小信號電路模型圖中輸出通過負反饋的作用，使vn自動地跟蹤vp， 即vpvn，或vidvpvn0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。由于運放的輸入電阻ri很大，所以，運放兩輸入端之間的 ip-in (vpvn) / ri 0，這種現(xiàn)象稱為虛斷。根據(jù)虛短和虛斷的概念有vpvn， ip-in0

17、 3.根據(jù)虛短，續(xù)斷的概念有，由上面的分析有=4所以，這樣我將 4.2.4 光耦簡圖4N25 4.2.5.測得的IC與IF如圖所示 4.2.5 CTR的計算4.3 的計算由于我的目的是要得到3V的方波，由于我用萬用表測得的電流為有效值，而在此有峰值=2*有效值4.4 電壓跟隨器的設計圖4.5 方波仿真信號輸出4.6.注意的問題步驟如下：1. 電路中所有+Vcc均為+12V，-Vcc均為-12V，GND為地。對單個放大器而言，在調試時，盡量讓輸出電壓在12V以下。 2. 光電耦合器的輸入電流應在210mA為宜(這是光電耦合器的線性區(qū)，電流太大或太小都會偏離線性區(qū))。3. 發(fā)光二極管邊和三極管邊需

18、要用兩個不同的接地，以避免不必要的干擾。 5.電路元件清單元件名稱型號規(guī)格數(shù)量電阻30K1電阻10K1電阻502光耦4N251放大器TL084ID2直流電源VSS1直流電源VDD1地1地1導線若干6.主要元器件介紹6.1光耦數(shù)據(jù)單6.2 TLO84的數(shù)據(jù)單 TL084Iq per channel(Max)(mA)2.8 VIO (25 deg C)(Max)(mV)15 CMRR(Min)(dB)70 Vn at 1kHz(Typ)(nV/rtHz)18 IIB(Max)(pA)400 Slew Rate(Min)(V/us)8 Slew Rate(Typ)(V/us)13 GBW(

19、Typ)(MHz)3 Spec'd at Vs(V)+/-15 VIO (Full Range)(Max)(mV)20 Vs(Min)(V)7 Vs(Max)(V)36 Pin/Package14PDIP, 14SO, 14SOIC, 14TSSOP Vio(Max)(mV)20 Supply Voltage 5(V)No Open Loop Gain(Min)(dB)88 Offset Drift(Typ)(uV/C)18 IQ Per Amp (+/-)(Max)(mA)2.8 Offset Voltage (+/-)(Max)(mV)20 Number of Channels4

20、Approx. Price (US$)0.20 | 1ku Operating Temperature Range(°C)-40 to 125,-40 to 85,0 to 70 Total Supply Voltage (V)(Min)(+5V=5, +/-5V=10)7 Total Supply Voltage (V)(Max)(+5V=5, +/-5V=10)36 TL084放大器的原理圖7.小結通過這次對光耦隔離放大電路的設計和分析，使我們深刻認識到了電子世界的神奇和自己知識的缺乏，也使我們更加清醒的認識了自己的不足，同時強烈的刺激了我們對進一步學習電子知識興趣和好奇心。在電

21、路設計的過程中，我們由起初的無從下手，漸漸的認識到各種器件的參數(shù)和工作原理，再通過進一步整合形成一個電路的基本框架，又經(jīng)過更一步的參數(shù)分析和設定和仿真，使電路基本達到課程要求。我們組有4名成員，在開始每個人都被分配了具體的任務，比如對放大器和光耦資料的搜集包括參數(shù)、原理以及使用環(huán)境，對器件的刪選和留用，還有電路設計中相關參數(shù)的設定和電路的仿真等等。在設計我們相互獨立而又密切配合，并且得到了老師的關鍵性建議，使我們很快明確了我們每一步的設計目的和具體思路。我們決定將電路模塊化，以減少工作復雜性和增大每個模塊的可操作性，這是我們工作中的一個不可不說的亮點。我們根據(jù)之前查閱的資料，根據(jù)每個模塊的特性

22、和功能，配以不同參數(shù)的器件，使每個模塊實現(xiàn)預期的功能，通過輸入設計要求的參數(shù)，使每個模塊輸出我們想要的結果，結果在各模塊中一級級傳遞和變化，最終達到設計要求。這次課程設計使我們學到了我們在書本中永遠學不到的知識，使我們可以更加清晰認識到自己動手的重要性。如果沒有這次課程設計，我們可能永遠迷信在自己的“理所當然”里，不會去發(fā)現(xiàn)我們平時忽略的細節(jié)和在思想里已經(jīng)根深蒂固的錯誤。這是一次對電路的設計，同時也是對自己思想的檢驗和錯誤的更正，使我們避免以后更大更深的錯誤，讓我們學會用實踐去驗證真理和用實踐得來的結論去幫助解決我們書本中難題。雖然這次課程設計只有一周，但其中我們卻覺得每一天都那么的充實，每一天都會有不同的知識充實著我們的大腦，