功能测试机设计--硬件--信号调理--数字隔离 and 电平转换

本文介绍两种数字信号电平转换与隔离的方法:一种使用光耦器件实现5V到12V的电平转换及数字隔离,适用于需要高隔离效果的场合;另一种使用二极管实现低成本的电平转换,适用于对集成度要求不高但成本敏感的应用。

 1. 目的:测试模块的数字信号输入到待测系统前,加一个隔离,可以起到保护测试模块的作用。待测系统的某些输入高电平与测试模块的不同,测试模块的数字加到待测系统前必须进行电平转换,否则无法准确工作。


2. 要求:5V转12V,同时实现数字隔离。

3. 实现:

 3.1 方案1--使用光耦器件:优点是隔离效果好,集成度高,缺点是据说比较容易坏,使用时需要注意。现以TLP521-4为例



原理图如上,实现的是12V转5V的数字信号采样,1K电阻左边为12V信号,右边“P4B6”为采用输出电路

当左边为低电平或者悬空时,“P4B6”输出0V,当左边信号为12V高电平时,“P4B6”输出5V。


3.2 方案2--使用二极管实现隔离:优点是成本低;缺点是,集成度相对不高,并且对输入低电平有一定要求。

原理图如下,当“2-24”为低电平0V时,"RE3"输出为IN4148的正向导通电压,大概0.6V。当“2-24”为高电平(>=5V),"RE3"输出5V。

由上知道,使用这种方案的必须条件是,"RE3"的逻辑低电平>IN4148的正向导通电压,并且留有足够余量,否则电路可能不稳。



### 晶体管输出型光耦的功能和作用 晶体管输出型光耦是一种常见的光耦合器,其主要由发光二极管(LED)和光电三极管(Phototransistor)组成[^1]。LED负责将输入的电信号转换为光信号,而光电三极管则接收光信号并将其重新转换为电信号。这种设计使得晶体管输出型光耦能够在电气隔离的情况下实现信号的传输。 #### 工作原理 晶体管输出型光耦的工作原理基于光电效应和晶体管的放大特性。当输入端的电流通过LED时,LED会发出特定波长的光。这束光被光电三极管吸收后,光电三极管内部会产生电子-空穴对,从而形成电流流动。光电三极管的集电极和发射极之间的电流输入到LED的电流成比例关系,这一比例关系通常用电流传输比(CTR, Current Transfer Ratio)来描述[^3]。CTR是衡量光耦效率的重要参数之一,其值范围可以从50%到600%不等,具体取决于光耦的设计和工作条件。 #### 应用场景 晶体管输出型光耦因其良好的电气隔离特性和信号传输能力,在多种应用场景中得到了广泛应用: 1. **开关电源中的反馈控制** 在开关电源中,晶体管输出型光耦常用于实现高低压侧的隔离和反馈控制。通过光耦的信号传递功能,可以确保开关电源输出电压的稳定性,同时保护电路免受高压干扰的影响[^3]。 2. **微处理器的信号电平转换** 微处理器需要各种外部设备进行通信,但这些设备的工作电压可能微处理器不匹配。晶体管输出型光耦可以有效地将输入和输出信号隔离开来,并匹配不同的电平信号(如5V、12V等),从而实现信号电平转换[^4]。 3. **工业自动化中的信号隔离** 在工业环境中,由于电磁干扰的存在,信号的可靠传输变得尤为重要。晶体管输出型光耦凭借其高抗干扰能力和可靠性,成为工业自动化控制系统中信号隔离的理想选择[^3]。 4. **医疗设备中的安全隔离** 在医疗设备中,为了防止患者受到电气干扰或伤害,通常需要在信号传输过程中加入电气隔离措施。晶体管输出型光耦能够提供高达5000V的有效隔离电压,因此在医疗设备中也得到了广泛应用[^3]。 ```python # 示例代码:使用晶体管输出型光耦实现信号隔离 import RPi.GPIO as GPIO # 定义GPIO引脚 input_pin = 17 # 输入信号引脚 output_pin = 18 # 输出信号引脚 # 设置GPIO模式 GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(input_pin, GPIO.IN) GPIO.setup(output_pin, GPIO.OUT) # 模拟光耦信号隔离 def isolate_signal(): if GPIO.input(input_pin): GPIO.output(output_pin, GPIO.HIGH) else: GPIO.output(output_pin, GPIO.LOW) # 主循环 try: while True: isolate_signal() finally: GPIO.cleanup() ```
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