如何通過信號隔離消除接地環(huán)路

隔離電路有很多原因，顯著的是避免接地環(huán)路或消除敏感電子電路中的傳導噪聲。工程師可能還需要將工作在不同電勢下的兩個電路橋接在一起。無論哪種情況，應用電流隔離對于良好的工程實踐都是必不可少的，并且可以在許多商業(yè)和工業(yè)產品和設備中找到。無論何種應用，輻射噪聲和傳導噪聲都會顯著降低電路穩(wěn)健地生成或傳輸信號的能力，尤其是在可能存在機器、電機、高壓和大電流的商業(yè)應用中。有時，需要完全隔離的電源來消除接地環(huán)路和機箱噪聲。該項目的重點是提供干凈的隔離電源和控制系統(tǒng)的隔離信號路徑。請注意，多個信號隔離器可用于構建閉環(huán)控制系統(tǒng)，這是當今自動化所必需的。隔離電源和隔離信號是兩個不同的東西，所以讓我們來探討一下。

1. 隔離電源：幾乎每個隔離電源（交流或直流）都是圍繞變壓器隔離構建的，但在本項目中，我們將重點關注隔離概念而不是電源設計。DC 到 DC 的轉換很復雜，添加隔離使得從頭開始設計變得更加困難。好消息是，許多集成電路制造商已經承擔了復雜性，并在易于使用的芯片中為我們提供了許多很棒的選擇！我們將使用 Texas Instrument 的DCH01，這是一款現(xiàn)成的微型 5 伏 DC-DC 轉換器，具有內置電流隔離以提供隔離電源。我們將對輸入引腳施加 5VDC 和接地，并在輸出引腳上接收隔離的 5VDC 和接地。多么酷??！

2. 隔離信號：隔離信號有幾種不同的方法，但在本項目中，我們將使用光隔離器（也稱為光耦合器）。幾十年來，光隔離器一直是工程界的主要產品。它們將傳入的電信號轉換為光，然后光通過間隙傳輸并由光電晶體管接收，光電晶體管將光轉換回電信號。該間隙提供了移除接地環(huán)路所需的隔離屏障。 

在下面的實驗中，讓我們學習如何使用少量組件、一個電源和一塊面包板構建隔離電路。一旦我們構建了所有內容并測試了電路，我們將在混音中添加一個 Arduino Uno 并創(chuàng)建一個隔離信號輸出。 

下面是您可以構建和測試以開始使用的電路示意圖。我們將修改它以合并 Arduino Uno，但現(xiàn)在它解釋了基礎知識。頂部的黃色框是 DCH01 DC-DC 轉換器的示意圖。當您將 5VDC 施加到引腳 1 并接地到引腳 2 時，當參考引腳 5 時，您在引腳 7 上實現(xiàn)了一個隔離的 5VDC。（*注意，如果引腳 7 沒有負載，輸出讀數(shù)應該在 8VDC 左右 - 這沒關系.) 灰色框是 HCPL2631 光電耦合器的示意圖。光耦合器的每個輸入 LED 都有相應的“集電極開路”輸出。當電流流過內部光學器件時，它會通過隔離間隙傳輸光，并使輸出晶體管“導通”。在我們的示例中，輸出端（引腳 7）上的隔離信號被 1.5k 歐姆電阻拉高，因此默認情況下信號為高電平。當輸入（引腳 2）上的開關閉合時，電流流過輸入 LED 并允許輸出晶體管“導通”（或達到飽和）。一旦輸出晶體管達到飽和狀態(tài)，它就會從上拉電阻吸收電流，并使隔離信號盡可能接近隔離地。因此，在數(shù)字方面，LOW 輸入 = LOW 輸出，HIGH 輸入 = HIGH 輸出。

好的，現(xiàn)在我們已經熟悉了隔離原理和功能原型電路，讓我們添加智能（好吧，有點像?。〢rduino Uno。首先，讓 Arduino Uno 開始工作。啟動Arduino IDE編程環(huán)境（可以在這里）。打開 Arduino 示例中的“Blink”草圖。然后，在 Tools --> Board --> Arduino Uno 下選擇你的目標 Arduino，并上傳代碼。

從您的 Arduino Uno 到 HCPL2631 和 DCH010505 進行以下連接。我們將在 Arduino 上使用引腳 13，因為它與 LED 相連。然后，當 Arduino LED 閃爍時，我們隔離的 LED 也會閃爍！

當 Arduino Uno 將引腳 13 設置為高電平時，沒有電流流過光隔離器的輸入，隔離信號保持拉高。當 Arduino 將引腳 13 設置為低時，電流流過光隔離器輸入并對輸出晶體管進行偏置，從而允許電流流過隔離 LED 并提供低隔離信號。下面是我的面包板設置和演示設置的簡短視頻。干杯!