光电耦合器数据采集抗干扰电路设计

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1、光电耦合器数据采集抗干扰电路设计　　摘要从光电耦合器的基本结构和性能特点出发，针对采用光电耦合器进行数据的采集、隔离抗干扰设计中的问题，提出了相应的电路设计方案，介绍了在铁路信号系统中抗干扰电路的设计和使用。关键词ZPW-2000A；自动闭塞；光电耦合器；抗干扰；信号；联锁；区间中图分类号：U22文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）19-0026-02我国电气化铁路接触网采用25kV单相交流供电，牵引电流最高可以达到上千安培以上，电力机车的牵引变压器在工作过程中产生大量的谐波成分和

2、电磁干扰，设备的可靠性和抗干扰能力对整个信号系统的安全和稳定运行有着重要影响。随着铁路信号设备数字化程度的推进，传统的模拟控制系统已经很难满足铁路现场的要求。为了能更有效地监控轨道电路现场设备的工作状态，使信号设备避开电磁波等干扰，设计了通过线性光电耦合器实现单片机对电信号的精确采样，通过光电耦合器和固态继电器实现单片机对信号设备的有效控制。1光电耦合器的基本电路7光电耦合器（简称光耦），是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光电耦合器可

3、根据不同要求，由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最为广泛的是发光二极管和光敏三极管组合成的光电耦合器。光电耦合器的基本工作原理是：光电耦合器件中的发光二极管为输入端，当正向输入电流流向其PN结时，发光管发光，从而形成一个光源，发光的强度随电流的增加而增加。输出端为光敏器件，其作用是将光信号检测后变为电流输出。该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信

4、号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高（2.5kV左右），故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。光耦的基本电路如图1所示。图1（a）的负载电阻RL接在发射极及地之间，图1（b）的负载电阻RL接在电源与集电极之间。7在图1（a）中，输入端加上

5、输入电压，经限流电阻R1后，有一定的电流IF流经红外发光二极管，IF与输入电源、发光二极管的正向压降VF及R1的关系为：IF=（Vcc-VF）/R1式中的VF取1.3V。IF的最大值查手册得出（一般情况下工作时IF≤10mA）。从图1（b）可以看出，输入端不加输入电压，二极管截止，无光电流产生，输出端电压是集电极电压。输入端加了Vcc电压，负载得电，二极管导通，产生光电流，输出端电压为0V，这个功能相当于“反相器”。如果在输入端加幅值为5V的脉冲，输出端集电极电压是12V，RL=10kΩ，则输出的脉

6、冲幅值接近12V，从这功一能来看，相当于“变压器”；若输入电压从0跃变到+5V，输出则从0跃变到接近12V，它又可用作电平“转换器”。2光电耦合管在ZPW-2000A自动闭塞系统中的设计及应用ZPW-2000A自动闭塞设备中，一方面要实现对现场数据的采集、处理，从而控制现场电路状态。系统通过检测电流、电压幅值是有效值信号，再通过光电耦合器配合运放电路转换为单片机的最佳采样区间；另一方面要接收并执行来自单片机的命令：包括设置参数、传输历史数据、清除历史数据等。光电耦合器主要应用于隔离放大电路、取样电路

7、、检测逻辑电路、控制电路及电平转换电路等。72.1低压电路之间的隔离线性放大器电路设计应用在ZPW-2000A无绝缘轨道电路衰耗器的移频报警电路中，应用电路如图2所示。光电耦合管5起到两个低压电路间的隔离和放大作用。若各区间信号点的发送器和接收工作正常，报警光耦导通，Kz24V的电源经过R1和光耦5的二极管及报警光耦回到负极，使光耦5导通，它的射极输出控制三极管V7导通，控制YBJ吸起。2.2编码条件读取中的光电隔离电路设计应用在ZPW-2000A发送器低频和载频编码条件读取时，考虑故障—安全，电路

8、中设置了读取光耦、控制光耦。消除配线干扰，保证模拟信号和数字信号的隔离，采用“功率型”电路。如图3所示，根据GJ的状态控制“编码条件电源”（+24V）接入。由B点送入由CPU控制产生的方波信号，当GJ↑时，+24V编码条件电源接通，即可从“读取光耦”受光器A点获得与B点相位相同的方波信号，送回到CPU。当GJ↓时，+24V编码条件电源断开，受光器A点不能获得与B点相位相同的方波信号，实现编码条件的读取。7“控制光耦”与“读取光耦”的设置，实现了对外界干扰信号和电路元件