一种双向隔离数字IO电路的制作方法

本实用新型涉及电子电路技术领域，具体涉及一种双向隔离数字IO电路。

背景技术：

在工业自动化测控系统中，通常需要一些开关控制量从本地仪器输出到外部控制回路中，同时外部控制回路也有一些开关量需要输入到本地仪器中，以便进行实时监测。因此，数字IO(输入输出)板卡由于可以提供开关量的输入和输出，在工业应用中比较广泛，技术也比较成熟。

近年来，由于集成电路的快速发展，工业系统的集成度越来越高，电气特性越来越复杂，开关控制量的电平信号变化范围较大，单一固定电平的IO板卡难以满足工业复杂系统的需求。在一些特定场合，需要输出用户指定的IO电平信号，而不是常规的5V TTL电平。考虑电气安全，现有的数字IO板卡也考虑了外部控制回路和本地仪器的电气隔离措施，但是对输入/输出的电平信号以及电源的保护还考虑不足。

技术实现要素：

本实用新型针对现有数字IO板卡采用单一固定电平难以满足工业复杂系统的需求的问题，提供一种双向隔离数字IO电路。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种双向隔离数字IO电路，由外部选择继电器、IO输入信号调理电路、IO输出信号调理电路、输入隔离光耦、输出隔离光耦、内部选择继电器组成；外部选择继电器的IO端连接外部控制回路；外部选择继电器的输出端经由IO输入信号调理电路连接输入隔离光耦的输入端；输入隔离光耦的输出端连接内部选择继电器的输入端；内部选择继电器的IO端连接本地仪器；内部选择继电器的输出端连接输出隔离光耦的输入端，输出隔离光耦的输出端经由IO输出信号调理电路连接外部选择继电器的输入端。

上述方案中，外部选择继电器K1和内部选择继电器K2同时吸合，或者同时断开。

上述方案中，IO输入信号调理电路包括电阻R1-R3、发光二极管HL1-HL2、以及MOS管V1；电阻R1的一端连接隔离电源，电阻R1的另一端接输入隔离光耦B1的ANODE端；电阻R2的一端接外部选择继电器的输出端，电阻R2的另一端接发光二极管HL1的阳极、发光二极管HL2的阴极、电阻R3的一端和MOS管V1的基极；MOS管V1的集电极接隔离光耦B1的CATHODE端；发光二极管HL1的阴极、发光二极管HL2的阳极、电阻R3的另一端和MOS管V1的发射极接地。

上述方案中，IO输出信号调理电路包括二极管D1；该二极管D1的正极接用户提供的电源，二极管D1的负极接输出隔离光耦B2的VCC端，隔离光耦B2的VOUT端直接接外部选择继电器的输入端，，隔离光耦B2的GND端接地。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、使用光耦隔离对输入/输出数字IO信号进行双向隔离，并对输入/输出IO电路以及电源设计了保护电路，电气性能更加安全可靠；

2、输入/输出电平信号范围为：5～30V，并且输出电平可以由用户在5～30V范围内指定；

3、输入/输出电平信号的频率范围为：0～500KHz，提高了大电压信号的开关频率。

附图说明

图1为一种双向隔离数字IO电路的原理框图。

图2为外部选择继电器的电路原理图。

图3为内部选择继电器的电路原理图。

图4为IO输入信号调理电路和输入隔离光耦的电路原理图。

图5为IO输出信号调理电路和输出隔离光耦的电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

参见图1，一种双向隔离数字IO电路，由外部选择继电器、IO输入信号调理电路、IO输出信号调理电路、输入隔离光耦、输出隔离光耦、内部选择继电器组成。外部选择继电器的IO端连接外部控制回路；外部选择继电器的输出端经由IO输入信号调理电路连接输入隔离光耦的输入端；输入隔离光耦的输出端连接内部选择继电器的输入端。内部选择继电器的IO端连接本地仪器；内部选择继电器的输出端连接输出隔离光耦的输入端，输出隔离光耦的输出端经由IO输出信号调理电路连接外部选择继电器的输入端。外部选择继电器和内部选择继电器用于实现信号的输入和输出切换。IO输入信号调理电路和IO输出信号调理电路用于对信号进行调理。输入隔离光耦和输出隔离光耦用于对外部控制回路的外部信号和本地仪器的内部信号进行隔离。

外部选择继电器K1和内部选择继电器K2分别由本地电路(或者内部电路)提供电源和控制信号，选择数字IO信号作为输入或者输出。外部选择继电器K1和内部选择继电器K2同时吸合，或者同时断开。当2个继电器在吸合状态下，信号由本地仪器向外部控制回路输出，当2个继电器在断开状态下时，信号由外部控制回路向本地仪器输入。外部选择继电器K1和内部选择继电器K2相当于单刀双掷开关。在图2中，连接外部选择继电器K1的网络标号IO1_external为外部控制回路的输入/输出数字IO信号，IN_IO1为输入，OUT_IO1为输出，继电器断开状态(默认状态)下为输入，吸合状态为输出。在图3中，连接内部选择继电器K2的网络标号IO1_internal连接到本地电路，SIG_IN1为输入，SIG_OUT1为输出，继电器断开状态(默认状态)下为输入，吸合状态为输出。

图4中，输入信号调理电路由R1(电阻)、R2(电阻)、R3(电阻)、HL1(发光二极管)、HL2(发光二极管)、V1(MOS管：NTR4003NT1G)组成，输入隔离光耦由B1(光耦：ACPL-M484-000E)组成。通过MOS管导通控制光耦导通。通过电阻分压和发光二极管钳位电压给MOS管栅极和源极之间提供导通电压。MOS管控制光耦的导通，当MOS管导通时，此时MOS管漏极和源极之间的电压几乎可以忽略。光耦的正常导通压降为1.15V，图2中网络标号ISO5V为隔离电源，电压值为5V。由以上电路参数可计算回路电流为：(ISO5V-1.15)/R1＝5.6mA，其中R1＝680Ω。此时回路电流已满足光耦导通电流(通过导通电流为1mA)，因此光耦导通。MOS管是电压控制器件，当栅极和源极之间的电压达到阈值导通电压就会导通，MOS管NTR4003NT1G最大的导通电压为1.4V。当IO输入信号IN_IO1电压较小时，可以通过电阻(R1和R2)分压得到的电压(连接到MOS管栅极的R2电阻端的电压)控制MOS管导通；当IO输入信号IN_IO1电压较大时，HL1发光二极管把MOS管栅极的电压钳位在1.75～2.35V(红色发光二极管的导通压降)。可见，通过电阻的分压和发光二极管的钳位作用可以控制MOS管的正常导通。另外，HL2发光二级管对MOS管具有保护作用，当IO输入信号为负电压时，HL2发光二级管的钳位电压可以保护MOS管栅极的电压在一个正常的范围内。

图5中，输出信号调理电路由D1(二极管：1N4007)组成，输出隔离光耦B2(光耦：ACPL-M484-000E)组成。图2中，网络标号VCC_usr是用户提供的电源，此电源控制光耦输出电平信号的大小；此电源先经过D1(二极管：1N4007)再接入光耦的电源管脚端。接入二极管可以防止因为电源反接造成光耦损坏，因为当电源反接时，二极管处于反向，不导通。考虑二极管0.7V的导通压降，电源电压范围可以是5.7～30.7V，这样光耦输出的电平电压范围为5～30V。

VCC和GND分别是本地电路的电源和参考地。隔离电源ISO5V由VCC经过隔离电压变换得到。如果VCC是5V，则通过带隔离的DC-DC芯片或者模块把VCC转换成隔离后的5V电压，即隔离电源ISO5V；如果VCC大于5V，则选择降压的隔离电源芯片或者模块把VCC转换成隔离后的5V电压；如果VCC小于5V，则选择升压的隔离电源芯片或者模块把VCC转换成隔离后的5V电压。当设计多通道数字IO时，多个通道可以共用一个隔离电源ISO5V。

在本实用新型中，当IO输入信号为负电压时，电路中发光二极管的钳位电压可以保护MOS管的栅极电压在正常的范围内，IO输出电路对用户提供的电源具有反接保护功能。IO输入信号的频率受发光二极管、MOS管以及光耦的工作时序影响，IO输出信号只受光耦的工作时序影响。经实验测试，数字IO电路输入频率可达500KHz，而输出频率可达1MHz；因此，数字IO电路输入/输出电平信号的频率范围为：0～500KHz。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。