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1任务概述

1.1 任务描述

近日，某测试设备需要处理若干路数字量输入。该数字量定义高电平为28.5V，定义低电平为0V，实际高电平在4V~40V之间，实际低电平在0~0.4V之间。

1.2 功能需求

如果按照常规的设计，采用如图1.1所示的电阻串联，接入光耦的方式，很难保证在输入逻辑高电平（电压范围在4~40V之间变化）时，光耦始终工作在5~10mA的正常区间。因为要保证较高电压输入时（例如40V），光耦的输入侧不过流，就要求串联电阻相对比较大，至少不低于约3.9K；而要保证较低电压输入时（例如4V），光耦的输入侧电流不至于太小以致光耦无法有效传递信息，那么就要求串联的电阻比较小，至多不超过约0.7K。显然，采用一般的电阻很难同时满足以上两条相互矛盾的要求。

因此需要设计一套能适应该接口要求的专用电路，既能保证光耦的正常工作，又能保证光耦的电气安全。

1.3 辅助软件及工具

仿真工具：Multisim v11.0，用于电路拓扑结构验证和参数计算。

制图工具：Altium Designer Summer09

2 总体设计

2.1 基本设计思路和处理方法

本设计的主要思路是利用稳压二极管的齐纳击穿特性，实现接口电路网络结构的自动切换；

如图2.1所示，当输入信号电压超过稳压管D1的齐纳击穿电压时，D1发生击穿，并有反向电流Iz流过D1，Iz中一部分经R5，另一部分经R4和Q1的基极，分流。那么Q1的CE极随即导通，为光耦回路分流一部分电流。适当地调整器件参数分布，即可确保光耦的输入侧不至于过流损毁。

当输入信号电压低于稳压管D1的齐纳击穿电压，但仍然是高电平时，D1不击穿，仅有非常微小的漏电流，而R5可以分流一部分漏电流，因此可以确保此时Q1的基极所过的电流足够小，不至于将CE极导通。那么输入信号的电流，仅经R1，Rx,光耦的LED，流回信号负极，LED导通发光，将信息传递至输出侧。由于此时输入电压不高，所以也可以保证光耦输入侧不会过流。

当输入信号为低电平，例如在0V~0.4V之间时，显然这个电压不足以使光耦输入侧的LED导通，如此便确保了低电平输入信号的正确传输。

2.2  设计参数要求

设计参数总体要求，既保证电路正常工作，有效地传递信息，又保证器件运行安全。具体要求如下：

A.输入信号中有尖峰毛刺时，要求接口网络能够将其过滤，不至损坏器件。

B.稳压二极管，在输入电压高于齐纳击穿电压时，要工作于正常的齐纳击穿状态，击穿电流要在正常的范围内，不至于过流，以免折损稳压管的寿命甚至烧毁稳压管。

C．分压电阻的额定功率要足够大，否则电阻在高电压下有较大电流通过，可能过热烧毁。

D．三极管的Ice额定电流要足够大，否则无法在高电压输入时给光耦输入侧电路提供足够的分流，导致光耦的LED过流，折损寿命甚至烧毁。

2.3 仿真参数

利用Multisim v11.0仿真软件进行仿真分析，其仿真电路如图2.2所示。测试信号为幅值在0.5V到40V，频率为10Hz的方波，输入输出的波形如图2.3所示。三种典型工况下的仿真参数如表2.1所示。

电路仿真的输入输出波形如图2.3所示，图中幅值较高者（接近40V）为输入信号，幅值较低者（接近3.3V）为输出信号。可见，该电路成功地实现了逻辑电平的电压转换，并实现了倒相功能。

3 元器件选型

3.1 稳压二极管选型

稳压二极管的主要考查指标是稳压值和反向击穿电流。所用稳压管要保证在高电压输入时能够钳制住送入光耦回路的电压，保证光耦输入侧的电流不会太大，所以稳压值不可选得太高。另外，稳压管击穿电流要足够大，以保证能够使三极管的基极导通，一般来讲稳压管的击穿电流都在10mA以上这个量级，基本都满足要求。选用BZX84-C15，稳压值在13.8V~15.6V之间，最大反向击穿电流可以承受250mA。

3.2 三极管选型

三极管的主要考查指标是CE间所能通过的最大电流。根据仿真计算的结果，三极管的Ice最大值至少要达到100mA以上。选择2N5551,其Ice最大为600mA，Vceo最大为160V，足以满足需求。

3.3 分压电阻选型

分压电阻的主要考查指标是额定功率。在40V输入时，分压电阻上面所流经的电流较大，达到100mA级，在100Ω电阻上产生的功耗约为1W左右。因此需选择大功率的直插电阻。

3.4  光耦选型

光耦的主要考查指标是输入侧LED的过流能力，要求其在5mA~25mA范围内能够正常工作。一般的光耦基本都能达到要求。选择PS2801，其If最大可以承受50mA。

4 实测参数

5.调试检测工艺要求

根据电路接口的电气属性，调整器件参数，并做试验验证。

检测几个关键点的电压即可。