CN202652187U - 微功耗中速数字信号隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微功耗中速数字信号隔离电路，包括：微分电路，其第一输入端接收输入信号，其第二输入端接电源；第一光耦，其正输入端连接所述微分电路的第一输出端，其负输入端连接所述微分电路的第二输出端；第二光耦，其正输入端连接所述微分电路的第二输出端，其负输入端连接所述微分电路的第一输出端；双稳态触发器，其第一输入端连接所述第一光耦的输出端，其第二输入端连接所述第二光耦的输出端。本实用新型电路简单，成本较低，在直流或低频时几乎不耗电，在中等频率时，功耗也极低，速度较快，波形畸变极小。

Description

微功耗中速数字信号隔离电路

技术领域

本实用新型涉及一种微功耗中速数字信号隔离电路。

背景技术

为了安全以及抗干扰，在工业现场、仪器仪表、医疗设备中，经常需要对不同的电路之间进行电隔离，同时隔离的电路之间要进行数字信号的传输。最常用的数字信号隔离方法有光电耦合器常规电路，图1示出了现有技术中的一种隔离电路，其传输静态电平，输入信号Vi为低时，光电耦合器107中的发光二极管LED导通，接受端的光敏管Q1收到后，使输出Vo为低，这时电阻R1和电阻R2中一直有电流流过；输入信号Vi为高时，光电耦合器107中的发光二极管LED不导通，接受端的光敏管Q1无信号，使输出Vo为高，该电路结构的缺点是功耗大(例如＞10mA)，因导通和关断的时延不同，导致波形有畸变，占空比改变，传输速率不高。

市场上也有超高电流传输比(CTR)的光电耦合器，使驱动电流较小，但是传输速率极低(例如＜500Hz)。然而，很多实际应用中，几千赫兹的速度是必须的，例如常用的波特率是9600，则相当于4.8KHz的最高信号频率。

2010年10月6日公开的公告号为CN101854168A的中国专利申请中公开了一种光耦隔离通信电路，通过增加一个三极管和若干电阻，加快光耦的速度，也适当降低了功耗。但是，该电路对功耗的降低有限，因为输入信号为低时，光耦两边一直有电流流过。

授权公告号为CN201805416U的中国实用新型专利中公开了一种高速低功耗光电耦合电路，通过两个光耦的互补来工作，可以提升电路的速度，也适当降低了功耗(输出端的静态功耗很小)。但是在任何状态下，两个光耦其中的一个总是导通的，总有功耗，所以功耗的降低也是有限的。

数字隔离器件的生产商很多，如安华高的HCPL系列、TI的ISO72XX系列、ADI的ADuM12/14XX系列，各厂商的产品都得到了广泛的应用。这些器件相比传统光电耦合器有了很大的进步，速度可以极高(例如MHz的级别)，功耗也有很大减少(例如2mA/通道)，但是，这些器件的功耗都在1mA以上，即使静态功耗也较大(例如＞0.8mA)。

在很多应用中，1mA的功耗仍然显得太高，例如工业现场的二线制仪表，其可用电流有时总共只有4mA，这4mA具有很多其他的重要用途，例如驱动传感器、进行计算等，对于电池供电的***，1mA的电流将大大缩短电池的寿命。

光电耦合器的常规电路是传输静态电平，它无法同时减少电流，又提高速度，即使是直流电平，至少在其中的一个状态，光电耦合器的两边都有电流流过。

公开号为US2010/0213874A1的美国专利申请中公开了一种光耦***，虽然也是用边沿触发ILEDH(大电流)，但是为了区分上升、下降，它还有LILEDL(较小的电流)和Null ILED(无电流)，它要求光电耦合器传输三种电流，大电流(边沿)，小电流(上升沿)，无电流(下降沿)，电路很复杂，可靠性不高，电路器件多，功耗仍然较大，成本也高。

公开号为US2010/0327195A1的美国专利申请中公开了一种低功耗光耦，也是用边沿触发，但是为了区分上升、下降，其驱动脉冲分两种时长：上升沿时，脉宽短；下降沿时脉宽长。但是该电路实现相当复杂，电路器件多，限制了功耗的降低，成本也高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种微功耗中速数字信号隔离电路，电路简单，成本较低，在直流或低频时几乎不耗电，在中等频率时，功耗也极低，速度较快，波形畸变极小。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种微功耗中速数字信号隔离电路，包括：

微分电路，其第一输入端接收输入信号，其第二输入端接电源；

第一光耦，其正输入端连接所述微分电路的第一输出端，其负输入端连接所述微分电路的第二输出端；

第二光耦，其正输入端连接所述微分电路的第二输出端，其负输入端连接所述微分电路的第一输出端；

双稳态触发器，其第一输入端连接所述第一光耦的输出端，其第二输入端连接所述第二光耦的输出端。

根据一个具体实施例，该微功耗中速数字信号隔离电路还包括：

斯密特反相器，所述输入信号经由所述斯密特反相器传输至所述微分电路的第一输入端。

根据一个具体实施例，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电阻的一端连接所述电源，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述第一电容的一端，所述第二电阻的两端分别为所述微分电路的第一输出端和第二输出端；

所述第一电容的一端连接所述斯密特反相器的输出端。

可选地，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电容的一端连接所述电源，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述第一电阻的一端，所述第二电阻的两端分别为所述微分电路的第一输出端和第二输出端；

所述第一电阻的一端连接所述斯密特反相器的输出端。

可选地，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电阻与第一电容串联，串联后的一端连接所述电源，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述斯密特反相器的输出端。

可选地，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电阻与第一电容串联，串联后的一端连接所述斯密特反相器的输出端，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述电源。

根据一个具体实施例，所述双稳态触发器包括：

第一反相器，其输入端连接所述第一光耦的输出端，其输出端为所述双稳态触发器的输出端；

第二反相器，其输入端连接所述第二光耦的输出端；

第三电阻，其第一端连接所述第一光耦的输出端，其第二端连接所述第二反相器的输出端；

第四电阻，其第一端连接所述第二光耦的输出端，其第二端连接所述第一反相器的输出端。

根据一个具体实施例，所述双稳态触发器包括：

第一与非门，其第一输入端连接所述第一光耦的输出端，其第二输入端接收逻辑高电平，其输出端为所述双稳态触发器的输出端；

第二与非门，其第一输入端连接所述第二光耦的输出端，其第二输入端接收逻辑高电平；

第三电阻，其第一端连接所述第一光耦的输出端，其第二端连接所述第二与非门的输出端；

第四电阻，其第一端连接所述第二光耦的输出端，其第二端连接所述第一与非门的输出端。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实施例的微功耗中速数字信号隔离电路中，采用微分电路对输入信号进行预处理，采用两个光耦分别传输信号的上升边沿和下降边沿，之后采用双稳态电路重构信号，该电路结构简单，在直流或低频率时几乎不耗电，在中等频率时，功耗也极低，速度较快，波形畸变小，整个电路的成本也较低。

附图说明

图1是现有技术中的一种隔离电路的电路图；

图2是本实用新型第一实施例的隔离电路的电路图；

图3是本实用新型第二实施例的隔离电路的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

图1示出了本实施例的隔离电路的电路图，包括：斯密特反相器U1、微分电路11、第一光耦Opto1、第二光耦Opto2、双稳态触发器12。

其中，输入信号Input经由斯密特反相器U1整形后传输至微分电路11的输入端。需要说明的是，斯密特反相器U1是可选的，在其他具体实施例中，输入信号Input可以直接输入至微分电路11的输入端。

微分电路11包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1。第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1依次串联在电源Vcc1和斯密特反相器U1的输出端之间。具体地，第一电阻R1的一端连接电源Vcc1，另一端连接第二电阻R2的一端；第二电阻R2的另一端连接第一电容C1的一端；第一电容C1的另一端连接斯密特反相器U1的输出端a。其中第二电阻R2的两端分别作为微分电路11的第一输出端b和第二输出端c。

需要说明的是，图1中的微分电路11仅是示例，在其他实施例中可以进行相应的变形，例如第一电阻R1和第一电容C1的位置可以变化：第一电阻R1和第一电容C1的位置进行交换；或者第一电阻R1和第一电容C1串联后放在图1中原第一电阻R1的位置，图1中原第一电容C1的位置短接；或者第一电阻R1和第一电容C1串联后放在图1中原第一电容C1的位置，图1中原第一电阻R1的位置短接。

第一光耦Opto1的正输入端(即第一光耦Opto1中发光二极管的正输入端)连接微分电路11的第一输出端b，其负输入端(即第一光耦Opto1中发光二极管的负输入端)连接微分电路11的第二输出端c。第二光耦Opto2的正输入端(即第二光耦Opto2中发光二极管的正输入端)连接微分电路11的第二输出端c，其负输入端(即第二光耦Opto2中发光二极管的负输入端)连接微分电路11的第一输出端b。

第一光耦Opto1的输出端d连接双稳态触发器12的第一输入端，第二光耦Opto2的输出端e连接双稳态触发器12的第二输入端。

在第一实施例中，双稳态触发器12包括：第一反相器U2-A，其输入端连接第一光耦Opto1的输出端，其输出端作为双稳态触发器12的输出端Output；第二反相器U2-B，其输入端连接第二光耦Opto2的输出端；第三电阻R3，其第一端连接第一光耦Opto1的输出端，第二端连接第二反相器U2-B的输出端；第四电阻R4，其第一端连接第二光耦Opto2的输出端，其第二端连接第一反相器U2-A的输出端。

在输入信号Input由低到高时，斯密特反相器U1的输出端a由高到低，微分电路11的尖峰电流流过第一光耦Opto1中的发光二极管，第一光耦Opto1的输出端d变低，输出端Output变高，由于此时第二光耦Opto2中无电流，因而节点f变低，当第一电容C1上充满电源Vcc1的电压时，整个隔离电路就不再消耗电流。

在输入信号Input由高到低时，斯密特反相器U1的输出端a由低到高，微分电路11的尖峰电流流过第二光耦Opto2中的发光二极管，第二光耦Opto2的输出端e变低，节点f变高，因为第一光耦Opto1中无电流，因而输出端Output变低。当第一电容C1上的电荷全部放光时，整个隔离电路就不再消耗电流。

其中，斯密特反相器U1的输出端a就具有等效的输出电阻Rout，例如Rout＝75Ohm，则时间常数C1*(Rout+R1)应与第一光耦Opto1和第二光耦Opto2的延时时间相适应。

通常第二电阻R2应当远大于第一电阻R1的电阻值，以免尖峰电流初期的有效电流被太多浪费，但是，时间常数C 1*R2一般应小于传输信号最短周期的一半。使尖峰电流之后，光耦中的发光二极管中的电流尽快到零，C1中的电荷尽快放完，或尽快充满，为下一个边沿做好准备。

第三电阻R3和第四电阻R4的电阻值应当适中，不能太小，保证在尖峰电流的作用下，第一光耦Opto1的输出端d或第二光耦Opto2的输出端e能够达到逻辑低电位。但是第三电阻R3和第四电阻R4的电阻值也不能太大，以免影响快速性。

本实施例的隔离电路，结构简单，在直流或低频时几乎不耗电；在中等频率时，功耗也极低，速度较快，波形畸变极小。第一光耦Opto1、第二光耦Opto2可以是常规的普通光耦器件，因而整个电路的成本也很低。

作为一个非限制性的例子，第一实施例中，电源电压Vcc1＝Vcc2＝3V，第一电容C的电容值C1＝6.8nF，第一电阻R1的电阻值R1＝100Ohm，第二电阻R2的电阻值R2＝4.7kOhm，第三电阻R3的电阻值R3＝6.8kOhm，第四电阻R4的电阻值R4＝6.8kOhm。第一光耦Opto1和第二光耦Opto2的型号为K817P2。输入信号Input的频率F＝1Hz时，电源Vcc1和Vcc2的电流平均之和：Icc1+Icc2＜0.5μA；输入信号Input的频率F＝50Hz时，电源Vcc1和Vcc2的电流平均之和：Icc1+Icc2＝3μA；输入信号Input的频率F＝5kHz时，电源Vcc1和Vcc2的电流平均之和：Icc1+Icc2＝200μA；输入信号Input的频率F＝10kHz时，电源Vcc1和Vcc2的电流平均之和：Icc1+Icc2＝400μA。

在实际应用时，也可以采用另一套反接的相同的隔离电路，实现数字信号的双向传输。

本实施例的隔离电路虽然在上电初期，在输入端发第一个信号之前，输出是不确定的，但只要有数据发送，输出就能同步，在绝大部分应用中是没有问题的。

此外，由于输入端的微分电路以及输出端的触发电路，两边电源上略有噪音，但是由于功耗极低，可以很容易采用一般的电容滤波、阻容滤波消除。

图2示出了第二实施例的隔离电路的电路图，除双稳态触发器12的具体电路略有不同外，其他电路与图1所示的第一实施例相同。在第二实施例中，双稳态触发器12具体包括：第一与非门U3-A，其第一输入端连接第一光耦Opto1的输出端d，其第二输入端接收逻辑高电平(即连接第二电源Vcc2)，其输出端为双稳态触发器12的输出端；第二与非门U3-B，其第一输入端连接第二光耦的输出端e，其第二输入端接收逻辑高电平(即连接第二电源Vcc2)；第三电阻R3，其第一端连接第一光耦Opto1的输出端d，其第二端连接第二与非门U3-B的输出端；第四电阻R4，其第一端连接第二光耦的输出端e，其第二端连接第一与非门U3-A的输出端。

图2所示的第二实施例中的隔离电路的工作原理与第一实施例类似，这里不再赘述。

需要说明的是，在第一实施例中，双稳态触发器包括第一反相器、第二反相器、第三电阻和第四电阻，第二实施例中采用第一与非门和第二与非门来分别代替第一反相器和第二反相器，但是对于本领域技术人员应当理解，也可以采用或非门、异或门等逻辑门或者J-K触发器等与第三电阻和第四电阻搭配组成双稳态触发器。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，包括：

微分电路，其第一输入端接收输入信号，其第二输入端接电源；

第一光耦，其正输入端连接所述微分电路的第一输出端，其负输入端连接所述微分电路的第二输出端；

第二光耦，其正输入端连接所述微分电路的第二输出端，其负输入端连接所述微分电路的第一输出端；

双稳态触发器，其第一输入端连接所述第一光耦的输出端，其第二输入端连接所述第二光耦的输出端。

2.根据权利要求1所述的微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，还包括：

斯密特反相器，所述输入信号经由所述斯密特反相器传输至所述微分电路的第一输入端。

3.根据权利要求2所述的微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电阻的一端连接所述电源，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述第一电容的一端，所述第二电阻的两端分别为所述微分电路的第一输出端和第二输出端；

所述第一电容的一端连接所述斯密特反相器的输出端。

4.根据权利要求2所述的微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电容的一端连接所述电源，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述第一电阻的一端，所述第二电阻的两端分别为所述微分电路的第一输出端和第二输出端；

所述第一电阻的一端连接所述斯密特反相器的输出端。

5.根据权利要求2所述的微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电阻与第一电容串联，串联后的一端连接所述电源，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述斯密特反相器的输出端。

6.根据权利要求2所述的微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，所述微分电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，

所述第一电阻与第一电容串联，串联后的一端连接所述斯密特反相器的输出端，另一端连接所述第二电阻的一端；

所述第二电阻的另一端连接所述电源。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，所述双稳态触发器包括：

第一反相器，其输入端连接所述第一光耦的输出端，其输出端为所述双稳态触发器的输出端；

第二反相器，其输入端连接所述第二光耦的输出端；

第三电阻，其第一端连接所述第一光耦的输出端，其第二端连接所述第二反相器的输出端；

第四电阻，其第一端连接所述第二光耦的输出端，其第二端连接所述第一反相器的输出端。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的微功耗中速数字信号隔离电路，其特征在于，所述双稳态触发器包括：

第一与非门，其第一输入端连接所述第一光耦的输出端，其第二输入端接收逻辑高电平，其输出端为所述双稳态触发器的输出端；

第二与非门，其第一输入端连接所述第二光耦的输出端，其第二输入端接收逻辑高电平；

第三电阻，其第一端连接所述第一光耦的输出端，其第二端连接所述第二与非门的输出端；

第四电阻，其第一端连接所述第二光耦的输出端，其第二端连接所述第一与非门的输出端。

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