设计任务描述
1.2 设计要求
1.2.1设计目的：
（1）掌握非线性光耦隔离电路的构成、原理与设计方法；
（2）熟悉模拟元件的选择、使用方法。
电压跟随器电路图1.2.2基本要求：
（1）输入信号为方波，幅度3V，频率500Hz～40kHz； （2）采用高速光耦，信号延迟时间<100us;
（3）输出信号上升及下降时间占有方波周期的5%以下；
（4）输出信号幅度0～6V，电流驱动力不低于1mA。
（1）信号带宽升至10Mb/s；
（2）幅度可调；
（3）其他。
2 时间进度安排
顺序 | 阶段日期 | 计 划 完 成 内 容 | 备注 |
1 | | 讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图 | 打分 |
2 | | 检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误 | 打分 |
3 | | 检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解接线图绘制及报告书写 | 打分 |
4 | | 继续修正逻辑图，指导接线图绘制方法，布置答辩 | 打分 |
5 | | 答辩、写报告 | 打分 |
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一 设计任务描述
1.1 设计题目：高速开关光耦隔离电路
1.2 设计要求
1.2.1设计目的：
（1）掌握非线性光耦隔离电路的构成、原理与设计方法；
（2）熟悉模拟元件的选择、使用方法。
1.2.2基本要求：
（1）输入信号为方波，幅度3V，频率500Hz～40kHz；
（2）采用高速光耦，信号延迟时间<100us;
（3）输出信号上升及下降时间占有方波周期的5%以下；
（4）输出信号幅度0～6V，电流驱动力不低于1mA。
1.2.3发挥部分：
（1）信号带宽升至10Mb/s；
（2）幅度可调；
（3）其他
二 设计思路
输入幅度为3V频率为500Hz的方波信号，首先通过电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，然后通过光耦起隔离反相放大的作用，再经过仪用放大器起反相放大的作用，最后经过同相放大器起同相放大的作用并输出幅度为6V频率为500Hz的方波信号。 第一个部分为电压跟随器。电压跟随器在电路中起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
第二部分为光耦隔离电路。光电耦合器是一种将电信号转换成为光信号并进行传导，然后又将光信号转换为电信号进行输出。它属于一种电—光—电转换元件。这就完成了电—光—电的转换，从而起到将输入、输出隔离的作用。由于光耦的输入、输出互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好抗干扰能力且工作稳定、传输效率高。光耦在电路中起隔离反向放大的作用。
第三部分为仪用放大器。仪用放大器在电路中起反相放大的作用。
第四部分为同相放大电路。同相放大电路在电路中起同相放大的作用。
以上就是我设计的由四部分组成的高速开关光耦隔离电路。
三 设计方框图
从整个电路来看，输入幅度为3V，频率为500Hz的方波信号，首先进入电压跟随器。利用电压跟随器的作用即缓冲、隔离、提高带载能力，使电路前后匹配。
输入信号经电压跟随器后流经光耦。利用光耦的作用即隔离反相放大，使光耦的输出端与输入端实现电信号的隔离。并将信号做放大处理，输出信号反相。
接下来是信号的放大。首先信号经仪用用放大器。利用仪用放大器的作用即反相、放大。输出信号反向，并合理选择电阻的数值，使信号以一定的增益输出。然后信号经同相放大
器。利用同相放大器的作用即同相、放大。输出信号同相，并合理选择电阻的数值，使信号以一定的增益输出。
最后输出幅度为6V，频率为500Hz的方波信号。
四 各部分电路设计及参数计算
4.1电压跟随器
电压跟随器输入信号为幅度为3V,频率为500Hz的方波，电压跟随器的电压增益Av=1，且同相。输入电阻Ri趋于无穷大，输出电阻Ro趋于零。其输出信号的幅度为3V，同相，频率为500Hz。
4.2光耦
输入光耦的信号的幅度为3V，频率为500Hz，根据光耦这一元件的自身特性，光耦起到了隔离反相放大的作用，其输出信号的幅度为2.5V，反相，频率为500Hz。
4.3仪用放大器
输入仪用放大器的信号的幅度为2.5V，频率为500Hz。如图所示，仪用放大器的增益Av=-R4/R3(1+2R2/R1)。输出信号的幅度为1.5V，反相，频率为500Hz。
4.4同相放大器
输入同相放大器的信号幅度为1.5V,频率为500Hz。如图所示，同相放大器的增益Av=1+R2/R1，即Av=1+150/50=4。因为1.5×4=6所以输出信号的幅度为6V，同相，频率为500Hz。
五 工作过程分析
5.1电压跟随器
输入幅度为3V，频率为500Hz的方波，并通过电压跟随器。电压跟随器的增益等于1，但其输入电阻趋于无穷大，而其输出电阻趋于零，故在电路中作为阻抗变换器或缓冲器，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用
5.2光耦
信号经第一部分电路即电压跟随器进入第二部分电路即光耦。光耦是一种将电信号转换成为光信号并进行传导，然后又将光信号转换为电信号进行输出。它属于一种电—光—电转换元件。这就完成了电—光—电的转换，从而起到将输入、输出隔离的作用。由于光耦的输入、输出互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好抗干扰能力且工作稳定、传输效率高。光耦在电路中起隔离反向放大的作用
5.3 仪用放大器
信号经第二部分电路即光耦进入第三部分电路即仪用放大器。仪用放大器是一种反相放大电路。由三个集成运放通过一定的连接组成，在电路中起到反相放大的作用
5.4 同相放大器
信号经第三部分电路即仪用放大电路进入第四部分电路即同相放大电器。同相放大器在电路中起到同相放大的作用。其电压增益Av=1+R8/R9。经同相放大器后输出幅度为6V频率为500Hz的方波
5.5 高速开关光耦隔离电路的电路图及仿真
高速开关光耦隔离电路的电路图
仿真过程
输入幅度为3V，频率为500Hz的方波。
信号经第一部分电路即电压跟随器后输出波形图如下
信号经第二部分、第三部分电路即光耦及仪用放大器后输出波形如下
信号经第四部分电路即同相放大电路后输出波形如下
电压表测量数据如下
5.6电路调试技术
1.分别将四个部分的电路接好 进行测试、观察。
2.将四个部分的电路接好，进行整体测试、观察。
3.针对示波器显示的波形，和各方面数据的测试，分析出现问题的原因，对各部分电路逐个排查校验，直至输出信号满足要求。
六 元器件清单
元器件 | 参数规格 | 个数 | 名称 |
运放 | LM324 | 5 | U1A U3A U4A U5A U6A |
光耦 | HCPL0631 | 1 | U2A |
电阻 | 100Ω | 3 | R10 R2 R3 |
50Ω | 1 | R1 R9 |
80Ω | 2 | R4 R5 |
175Ω | 2 | R6 R7 |
150Ω | 1 | R8 |
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七 主要元器件介绍
1光电耦合器HCPL0631
2集成运放LM324
豫公网安备41160202000603
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