3. TI 高精度实验室-隔离：什么是隔离数字输入？

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大家好，欢迎观看 TI 高精度实验室视频。

TI 的高精度 实验室视频节目

是面向工程师的 综合在线课程。

这段视频 将介绍有关

隔离式输入的 基本问题。

如需查看更多 视频和主题，

请访问 TI.com/precisionlabs。

什么是隔离式 数字输入？

在前面的视频中， 我们讨论了

电隔离以及数字隔离器的 内部工作原理。

在本视频中，我们将介绍 另一种隔离器件：

隔离式 数字输入的功能。

与更常见的 数字隔离器的

标准引脚不同， 隔离式数字输入

充当具有宽输入范围 和改进内部架构的

数字接收器， 因此

特别适合于 数字输入模块

设计。

本高精度实验室视频 将回答以下问题。

什么是隔离式 数字输入？

隔离式数字输入 如何工作？

数字隔离器和 隔离式输入是否不同？

隔离式输入和 光耦合器

有何不同？

还有，隔离式数字输入的 典型用途是什么？

在前面有关数字隔离器的 高精度实验室视频中，

我们分享了一个 典型数字隔离器用例的图表，

并强调了数字 隔离器位于 MCU、

FPGA 和 ADC 之间， 旨在防止

遭遇潜在的 高压事件风险。

数字隔离器的 信号范围

处于 TTL 和 无缝逻辑范围，

约为 3.3 至 5.5 伏。

隔离式数字输入 有一点不同。

隔离式数字输入的 功能是提供

从传感器输入 或其他输入类型

到逻辑输出的 电隔离，此外，

数字输入不是 在数字隔离器之类的

两个数字组件之间的 信号路径中起作用，

而是旨在 从现场侧输入

接收各种各样的 输入信号，

正如此处 在可编程逻辑控制器设计中

显示的一样。

数字输入与 现场侧输入信号

以及传感器相连， 如果是数字输入模块，

则输入范围 为 5 至 60 伏，

甚至更高。

让我们比较一下 数字隔离器、

隔离式数字输入 以及光耦合器的

内部结构， 从而更好地了解

这些器件的工作原理。

隔离式输入和 数字隔离器之间

有三个主要的 结构性差异需要注意。

回顾一下前面的 高精度实验室视频，

数字隔离器需要 两个独立的电源和接地

引脚，并且数字 隔离器接收低压

逻辑输入信号， 对信号进行调制，

跨隔离栅 传递信号，

然后对信号进行解调 以便在输出引脚上

重建数字输入。

隔离式数字 输入器件通常

接收 5 伏至 60 伏的 数字输入信号，

并提供隔离式 数字输出。

与数字隔离器不同， 数字输入信号

还可以用作主电源 或现场侧电源，

只要存在输入信号， 就保持器件

通电。

连接到感应引脚的 内部电压比较器

可以确定输入电压 转换阈值。

此外，还需要 现场侧接地 FGND

使电路参考 与输入端相同的

共模。

电压输入阈值 与输入电源有关，

可由用户使用 外部电阻器进行编程。

一旦输入信号达到 用户编程阈值，

隔离式输入器件的 其余部分的作用

与数字隔离器 非常相似。

输入经过调制后 跨过隔离栅，

被解调为 低压数字输出，

而控制侧的 输出缓冲器

通常能够 提供足够的

电流来驱动 状态 LED，

这是数字输入和 PLC 设计的普遍需求。

EN 使能引脚用于 启用输出缓冲器。

EN 引脚上的 低电平状态

将输出缓冲器置于 高阻抗状态，

而次级侧则需要 单独的电源和接地。

输入范围、 引脚输出、

可编程性和 内部功能

在不同器件之间 具有独特性，

因此为具体设计 选择最适合的隔离式输入

需要仔细考虑 最能满足设计需求的功能集。

隔离式数字输入和 光耦合器有何不同？

隔离式数字输入 和光耦合器

在很多方面都有所不同， 包括隔离技术、

器件引脚输出 和功能。

但是，它们用作 隔离式输入时，

这些差异是否重要？

关于数字输入 模块的设计，

需要注意 一些差异。

长期可靠性 和明显不同的

FIT 率便是这两种 器件功能之间的

其中一些差异。

但是，更常见的 差异包括

响应时间和 功能集成。

让我们看一下 隔离式数字输入的

三个最常见用例， 了解这些性能差异

如何反映在数字 输入模块设计中。

电机控制中的数字输入。

交流电机驱动器 中的控制模块

负责电机驱动系统的 信号处理和总体控制

算法，此过程中 会采用位置反馈

模块或其他 监测功能的输入，

这可以是 模拟输入和

数字输入的形式。

这些数字输入 通常是来自

现场传感器和 开关的 24 伏信号，

用于传达紧急停止 信号，例如

安全扭矩关闭或 有关电机运行情况的信息，

即速度和位置。

这里显示了一个典型的 交流电机驱动器。

数字 I/O 接口 表示数字输入

反馈功能， 用于隔离整个系统的

安全和故障监测 反馈信号，包括

位置、相位和 电源信号。

对来自控制模块的 数字输入

进行隔离的 另一个好处

是可以防止 接地电位差引起

通信错误。

在电机控制中， 数字输入

通常用于提供 PWM 脉冲链，

这有助于控制电机转速。

或者，通过使用 控制算法，

数字信号输入 可对功率级进行

任何必要的调整， 从而实现目标输出。

在这些情况下， 由于会限制数据速率，

光耦合器的速度 通常会带来挑战。

光耦合器的传播延迟 是微秒级数值，

但响应时间延迟 在监测位置反馈的

用例中至关重要， 这一问题

可能会导致 不稳定以及影响

反馈回路的控制。

基于电容的 隔离式数字输入

使用高速技术， 该技术可提高数据速率

并将传播延迟降低至 纳秒级别，从而加快

对关键反馈信号的 响应时间。

隔离式输入的 集成功能

还有助于克服 在数字 I/O 接口尺寸

和抗噪能力的 改善需求方面

所面临的挑战。

此电路显示了一种 用于隔离式数字输入的

通用光耦合器 解决方案，

其中使用多个 分立式组件来实现

电流限制和 受控电压阈值。

使用这种复杂的 解决方案通常

需要在光耦合器之后 使用一个施密特

触发缓冲器来提供迟滞， 从而降低噪声。

为了防止 噪声信号触发

输出误差， 需要使用

这种附加的 迟滞来解决

光耦合器中常见的 部件间偏移问题。

隔离式数字输入 包含通常

由外部电阻器设置的 迟滞电路，

可以确保输入检测窗口 更加准确。

观察数字输入和 可编程逻辑控制的用途

可以看出， 隔离式输入

在设计中的功能 与电机控制的用途

非常相似， 但优先级略有不同。

可编程逻辑控制器的 IEC61131-2 标准

指定了三种不同类型的 数字输入接收器：

1 类、2 类和 3 类，

具有特定的输入电压 和输入电流关系。

例如，3 类实施方案 在导通状态下的

电流消耗应该 尽可能接近 2 毫安，

并且电压转换 阈值应该

在 5 到 11 伏 之间，正如

电压与电流 关系图中所示。

为了使用 光耦合器

对 3 类 PLC 数字 输入实现这种

操作行为， 通常使用一个

如下图所示的电路， 该电路仍然

需要电流限制 功能的分立式

实施方案， 以便将电流

限制在 15 伏以下。

该实施方案将 需要 9 到 15 个

额外的组件，还需要 使用施密特触发缓冲器

来引入相应的迟滞， 以便管理输入电压

和噪声阈值。

数字输入 和配电。

110 伏交流电和 240 伏交流电 是常见的家用和工业用

线路电压。

110 伏和 220 伏 直流电池

在配电和 电站自动化中

用作辅助电源。

在工业自动化 和保护继电器等

配电系统中， 检测是否存在

这些线路电压 和电池电压

及其确切的 电压水平或

与它们相连的 继电器状态

是一项重要功能。

传统上，交流电压 检测电路

可用于构建光耦合器， 如此处所示。

全桥整流器会将交流电压 整流为直流电压。

齐纳二极管可确保 光耦合器仅在

超过一定的电压时 才会接收输入电流，

从而大致形成阈值控制。

添加 R1 和 R2 两个电阻器

可提供一定程度的电压控制， 同时还可以限制输入

电流。

同样的这一个电路 无需桥式整流器

也可以进行直流检测。

那么为什么这个电路的设计 如今会有所不同呢？

CTR 比是光耦合器 内部 LED 上的

输出电流与 输入电流之比，

或从初级测到 次级侧的增益。

由于 LED 效率 随时间降低，

因此 CTR 降级 在光耦合器中是很常见的

现象。

当光耦合器的 CTR 降低时，

需要越来越高的 频率来维持

目标工作电压 水平，这会

导致越来越高的 功耗以及越来越高的

电路板温度。

隔离式数字输入 通过使用电容架构

解决了这一问题， 因为这种架构

不存在 CTR 或 LED 效率 随时间降低的问题。

由于隔离式 数字输入

提供可编程的 集成电流限制

和阈值电压， 因此输入电流保持恒定，

从而可以降低功耗， 延长使用寿命，

而不存在 LED 老化的 负面影响。

我们讨论了 隔离式数字输入可以

提供从传感器输入 或其他输入类型

到逻辑输出的电隔离。

隔离式输入可以 直接感应 0 到 60 伏

或更高的输入信号， 可用于代替

光耦合器和 数字输入电路，

凭借集成的功能， 可提供更高的速度、

更小的外形、更长的使用寿命 以及更好的散热性能。

谢谢观看。

请尝试完成在线测验。

问题 1.

数字隔离器和 隔离式数字输入之间的

三个主要区别 是什么？

输入范围.

数字隔离器的 输入范围

通常与 3 到 5 伏的 TTL 或 CMOS 逻辑输入

保持一致。

对于隔离式数字输入， 范围可以宽得多，

在 5 到 60 伏之间 甚至更高。

主要电源和 辅助电源要求。

我们讨论了为何 数字隔离器同时需要

主要和辅助 隔离式电源，

而隔离式数字输入 可以使用现场侧

输入电源代替 主要电源。

集成型功能.

隔离式数字输入 包含诸如迟滞

和电流限制之类的 集成功能，

因此在选择隔离式 数字输入之前，

应仔细研究 其功能集。

测验问题 2：

在数字输入设计中 可以使用隔离式数字输入

代替光耦合器吗？

是的。

隔离式数字输入与 光耦合器之间

通常不具有 引脚对引脚的兼容性，

但可以替代基于光耦合器的电路， 同时具有更少的组件

和更长的使用寿命。

问题 3：

对或错--

由于电源可以来自 如图所示的

隔离数字输入的 输出引脚，

因此可以在工作期间 使 VCC1 保持断开状态。

错。

只要存在 输入信号，

现场侧数字输入 就可以用作电源

来保持器件 为初级侧供电。

但是，次级侧 或输出

则需要电源 才能正常运行。

所以，必须连接 此处显示的 VCC1。

高精度实验室主题 “什么是隔离式数字输入？”

到此结束。

谢谢观看。

在 www.ti.com/precisionlabs 上 可以浏览更多

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是面向工程师的 综合在线课程。

这段视频 将介绍有关

隔离式输入的 基本问题。

如需查看更多 视频和主题，

请访问 TI.com/precisionlabs。

什么是隔离式 数字输入？

在前面的视频中， 我们讨论了

电隔离以及数字隔离器的 内部工作原理。

在本视频中，我们将介绍 另一种隔离器件：

隔离式 数字输入的功能。

与更常见的 数字隔离器的

标准引脚不同， 隔离式数字输入

充当具有宽输入范围 和改进内部架构的

数字接收器， 因此

特别适合于 数字输入模块

设计。

本高精度实验室视频 将回答以下问题。

什么是隔离式 数字输入？

隔离式数字输入 如何工作？

数字隔离器和 隔离式输入是否不同？

隔离式输入和 光耦合器

有何不同？

还有，隔离式数字输入的 典型用途是什么？

在前面有关数字隔离器的 高精度实验室视频中，

我们分享了一个 典型数字隔离器用例的图表，

并强调了数字 隔离器位于 MCU、

FPGA 和 ADC 之间， 旨在防止

遭遇潜在的 高压事件风险。

数字隔离器的 信号范围

处于 TTL 和 无缝逻辑范围，

约为 3.3 至 5.5 伏。

隔离式数字输入 有一点不同。

隔离式数字输入的 功能是提供

从传感器输入 或其他输入类型

到逻辑输出的 电隔离，此外，

数字输入不是 在数字隔离器之类的

两个数字组件之间的 信号路径中起作用，

而是旨在 从现场侧输入

接收各种各样的 输入信号，

正如此处 在可编程逻辑控制器设计中

显示的一样。

数字输入与 现场侧输入信号

以及传感器相连， 如果是数字输入模块，

则输入范围 为 5 至 60 伏，

甚至更高。

让我们比较一下 数字隔离器、

隔离式数字输入 以及光耦合器的

内部结构， 从而更好地了解

这些器件的工作原理。

隔离式输入和 数字隔离器之间

有三个主要的 结构性差异需要注意。

回顾一下前面的 高精度实验室视频，

数字隔离器需要 两个独立的电源和接地

引脚，并且数字 隔离器接收低压

逻辑输入信号， 对信号进行调制，

跨隔离栅 传递信号，

然后对信号进行解调 以便在输出引脚上

重建数字输入。

隔离式数字 输入器件通常

接收 5 伏至 60 伏的 数字输入信号，

并提供隔离式 数字输出。

与数字隔离器不同， 数字输入信号

还可以用作主电源 或现场侧电源，

只要存在输入信号， 就保持器件

通电。

连接到感应引脚的 内部电压比较器

可以确定输入电压 转换阈值。

此外，还需要 现场侧接地 FGND

使电路参考 与输入端相同的

共模。

电压输入阈值 与输入电源有关，

可由用户使用 外部电阻器进行编程。

一旦输入信号达到 用户编程阈值，

隔离式输入器件的 其余部分的作用

与数字隔离器 非常相似。

输入经过调制后 跨过隔离栅，

被解调为 低压数字输出，

而控制侧的 输出缓冲器

通常能够 提供足够的

电流来驱动 状态 LED，

这是数字输入和 PLC 设计的普遍需求。

EN 使能引脚用于 启用输出缓冲器。

EN 引脚上的 低电平状态

将输出缓冲器置于 高阻抗状态，

而次级侧则需要 单独的电源和接地。

输入范围、 引脚输出、

可编程性和 内部功能

在不同器件之间 具有独特性，

因此为具体设计 选择最适合的隔离式输入

需要仔细考虑 最能满足设计需求的功能集。

隔离式数字输入和 光耦合器有何不同？

隔离式数字输入 和光耦合器

在很多方面都有所不同， 包括隔离技术、

器件引脚输出 和功能。

但是，它们用作 隔离式输入时，

这些差异是否重要？

关于数字输入 模块的设计，

需要注意 一些差异。

长期可靠性 和明显不同的

FIT 率便是这两种 器件功能之间的

其中一些差异。

但是，更常见的 差异包括

响应时间和 功能集成。

让我们看一下 隔离式数字输入的

三个最常见用例， 了解这些性能差异

如何反映在数字 输入模块设计中。

电机控制中的数字输入。

交流电机驱动器 中的控制模块

负责电机驱动系统的 信号处理和总体控制

算法，此过程中 会采用位置反馈

模块或其他 监测功能的输入，

这可以是 模拟输入和

数字输入的形式。

这些数字输入 通常是来自

现场传感器和 开关的 24 伏信号，

用于传达紧急停止 信号，例如

安全扭矩关闭或 有关电机运行情况的信息，

即速度和位置。

这里显示了一个典型的 交流电机驱动器。

数字 I/O 接口 表示数字输入

反馈功能， 用于隔离整个系统的

安全和故障监测 反馈信号，包括

位置、相位和 电源信号。

对来自控制模块的 数字输入

进行隔离的 另一个好处

是可以防止 接地电位差引起

通信错误。

在电机控制中， 数字输入

通常用于提供 PWM 脉冲链，

这有助于控制电机转速。

或者，通过使用 控制算法，

数字信号输入 可对功率级进行

任何必要的调整， 从而实现目标输出。

在这些情况下， 由于会限制数据速率，

光耦合器的速度 通常会带来挑战。

光耦合器的传播延迟 是微秒级数值，

但响应时间延迟 在监测位置反馈的

用例中至关重要， 这一问题

可能会导致 不稳定以及影响

反馈回路的控制。

基于电容的 隔离式数字输入

使用高速技术， 该技术可提高数据速率

并将传播延迟降低至 纳秒级别，从而加快

对关键反馈信号的 响应时间。

隔离式输入的 集成功能

还有助于克服 在数字 I/O 接口尺寸

和抗噪能力的 改善需求方面

所面临的挑战。

此电路显示了一种 用于隔离式数字输入的

通用光耦合器 解决方案，

其中使用多个 分立式组件来实现

电流限制和 受控电压阈值。

使用这种复杂的 解决方案通常

需要在光耦合器之后 使用一个施密特

触发缓冲器来提供迟滞， 从而降低噪声。

为了防止 噪声信号触发

输出误差， 需要使用

这种附加的 迟滞来解决

光耦合器中常见的 部件间偏移问题。

隔离式数字输入 包含通常

由外部电阻器设置的 迟滞电路，

可以确保输入检测窗口 更加准确。

观察数字输入和 可编程逻辑控制的用途

可以看出， 隔离式输入

在设计中的功能 与电机控制的用途

非常相似， 但优先级略有不同。

可编程逻辑控制器的 IEC61131-2 标准

指定了三种不同类型的 数字输入接收器：

1 类、2 类和 3 类，

具有特定的输入电压 和输入电流关系。

例如，3 类实施方案 在导通状态下的

电流消耗应该 尽可能接近 2 毫安，

并且电压转换 阈值应该

在 5 到 11 伏 之间，正如

电压与电流 关系图中所示。

为了使用 光耦合器

对 3 类 PLC 数字 输入实现这种

操作行为， 通常使用一个

如下图所示的电路， 该电路仍然

需要电流限制 功能的分立式

实施方案， 以便将电流

限制在 15 伏以下。

该实施方案将 需要 9 到 15 个

额外的组件，还需要 使用施密特触发缓冲器

来引入相应的迟滞， 以便管理输入电压

和噪声阈值。

数字输入 和配电。

110 伏交流电和 240 伏交流电 是常见的家用和工业用

线路电压。

110 伏和 220 伏 直流电池

在配电和 电站自动化中

用作辅助电源。

在工业自动化 和保护继电器等

配电系统中， 检测是否存在

这些线路电压 和电池电压

及其确切的 电压水平或

与它们相连的 继电器状态

是一项重要功能。

传统上，交流电压 检测电路

可用于构建光耦合器， 如此处所示。

全桥整流器会将交流电压 整流为直流电压。

齐纳二极管可确保 光耦合器仅在

超过一定的电压时 才会接收输入电流，

从而大致形成阈值控制。

添加 R1 和 R2 两个电阻器

可提供一定程度的电压控制， 同时还可以限制输入

电流。

同样的这一个电路 无需桥式整流器

也可以进行直流检测。

那么为什么这个电路的设计 如今会有所不同呢？

CTR 比是光耦合器 内部 LED 上的

输出电流与 输入电流之比，

或从初级测到 次级侧的增益。

由于 LED 效率 随时间降低，

因此 CTR 降级 在光耦合器中是很常见的

现象。

当光耦合器的 CTR 降低时，

需要越来越高的 频率来维持

目标工作电压 水平，这会

导致越来越高的 功耗以及越来越高的

电路板温度。

隔离式数字输入 通过使用电容架构

解决了这一问题， 因为这种架构

不存在 CTR 或 LED 效率 随时间降低的问题。

由于隔离式 数字输入

提供可编程的 集成电流限制

和阈值电压， 因此输入电流保持恒定，

从而可以降低功耗， 延长使用寿命，

而不存在 LED 老化的 负面影响。

我们讨论了 隔离式数字输入可以

提供从传感器输入 或其他输入类型

到逻辑输出的电隔离。

隔离式输入可以 直接感应 0 到 60 伏

或更高的输入信号， 可用于代替

光耦合器和 数字输入电路，

凭借集成的功能， 可提供更高的速度、

更小的外形、更长的使用寿命 以及更好的散热性能。

谢谢观看。

请尝试完成在线测验。

问题 1.

数字隔离器和 隔离式数字输入之间的

三个主要区别 是什么？

输入范围.

数字隔离器的 输入范围

通常与 3 到 5 伏的 TTL 或 CMOS 逻辑输入

保持一致。

对于隔离式数字输入， 范围可以宽得多，

在 5 到 60 伏之间 甚至更高。

主要电源和 辅助电源要求。

我们讨论了为何 数字隔离器同时需要

主要和辅助 隔离式电源，

而隔离式数字输入 可以使用现场侧

输入电源代替 主要电源。

集成型功能.

隔离式数字输入 包含诸如迟滞

和电流限制之类的 集成功能，

因此在选择隔离式 数字输入之前，

应仔细研究 其功能集。

测验问题 2：

在数字输入设计中 可以使用隔离式数字输入

代替光耦合器吗？

是的。

隔离式数字输入与 光耦合器之间

通常不具有 引脚对引脚的兼容性，

但可以替代基于光耦合器的电路， 同时具有更少的组件

和更长的使用寿命。

问题 3：

对或错--

由于电源可以来自 如图所示的

隔离数字输入的 输出引脚，

因此可以在工作期间 使 VCC1 保持断开状态。

错。

只要存在 输入信号，

现场侧数字输入 就可以用作电源

来保持器件 为初级侧供电。

但是，次级侧 或输出

则需要电源 才能正常运行。

所以，必须连接 此处显示的 VCC1。

高精度实验室主题 “什么是隔离式数字输入？”

到此结束。

谢谢观看。

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