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1、光耦输入接口电路测试实验结果与改进方案张道勇实验目的：通过对某某（不好意思，保密需要，下同）CNC系统输入电路的研究，拟在不改变电 路的情况下，改变相关器件参数值，达到其它CNC系统输入电路的性能，以满足实际工作要 求。某某CNC系统的现状：输入接口在低电平状态、高电平状态、由低电平到高电平或高 电平向低电平转换、跳变过程中，存在误关断、误触发、误导通的现象。比如，某某CNC 系统配某某机床厂某某型号机床，用于检测主轴变频器的速度到达和零速的两输入信号偶尔 出现常有效状态；又如：某某机床厂用接近开关作为机床的PC信号，在常开的状态下（未 感应到铁块时），接近开关的输出端有时会有3V至5V的电压
2、（感性负载），以至系统一直 处于误导通（高电平）状态。针对系统个别情况下，不能稳定触发、关断的现象，做此测试。给出系统高低电平（跳 变）的电压范围，并提出改进方案。某某CNC系统测试数据:系统输入模块原理图:系统输入模块原理分析：目前某某CNC系统的外部输入接口采用光耦作为隔离输入器件，用3.3KR/0.5W电阻作 为限流电阻，输出极采用射级输出方式，接RC滤波电路，最后用施密特电路进行整型，之 后输入给系统。光耦是电流敏感型器件，对外接电压不敏感，功率噪声容限大,所以该电路具 有大的输入电压范围，可以用于5V、12V、24V、36V等电压等级的信号输入，当用于24V电 压等级的电路时，工作电
3、流约为7mA，具有比较大的功率噪声容限。电路整体对外表现出施 密特特性，即：当外部电位由0V上升到约+3.5V以上时电路由0翻转到1，当电压由高电平 下降时，在+3.5V处并不翻转回0，而是继续下降到约+2.5V时才翻转回0，这就有效避免了 外部信号在+3V左右时，由于噪声的存在导致输入信号发生震荡，提高了电压噪声容限。详细的理论分析与计算请参见某某CNC系统IO板设计说明书。系统测试数据:七（高电平）V （低电平）T -R1=3.3K R2=3.6K输入电压大于3.3V输入电压小于2.5VR1=4.7K R2=3.6K输入电压大于4.2V输入电压小于3.2VR1=5.1K R2=3.6K输入
4、电压大于4.6V输入电压小于3.4VR1=3.3K R2=2.0K输入电压大于4.4V输入电压小于3.3VR1=3.3K R2=1.5K输入电压大于5.1V输入电压小于3.7VR1=3.3K R2=1.0K（点一）输入电压大于6.0V输入电压小于4.3VR1=3.6K R2=1.0K（点一）输入电压大于6.4V输入电压小于4.6VR1=3.9K R2=1.0K（点一）输入电压大于6.8V输入电压小于5.0VR1=3.3K R2=1.0K（点二）输入电压大于6.4V输入电压小于4.6VR1=3.6K R2=1.0K（点二）输入电压大于6.9V输入电压小于5.0VR1=3.9K R2=1.0K（点
5、二）输入电压大于7.4V输入电压小于5.5V系统测试数据温度实验:R1=3.3K R2=3.6K10C0C14C七（高电平）输入电压大于2.8V输入电压大于2.9V输入电压大于3.0VV（高电平）T -输入电压小于2.2V输入电压小于2.3V输入电压小于2.4V注：以上数据是对同一个测试点多次测量所得结果。注：详细的测试数据请参阅附表。下同。注：绿色部分是某某CNC系统现在电路阻值。其它部分是改变电阻参数所测结果。其它某某CNC系统测试数据:其它某某CNC系统输入模块原理图:+5V其它某某CNC系统测试数据：高电平低电平R1=4.7K R2=1K输入大于8.6V输入小于8.6VR1=3.3K
6、R2=1K输入大于5.6V输入小于5.6V注1： R1=3.3K R2=1K是刀架信号（T1、T2T8）电路阻值。第三款CNC系统测试数据:第三款CNC输入模块原理图：VDD3. 3R21KVi3K_.I VoR1 1夕TLP181第三款CNC系统测试数据:高电平低电平R1=3K， R2=1K输入大于4.5V输入小于4.5V第四款CNC系统测试数据:高电平低电平输入大于9.5V输入小于9.5V注：以上测试条件是在常温状态下测得结果。测试结论：某某CNC系统现在电路的V及V电压较低：在一般情况下，电路的V及V电压约 T +T -T +T -为+3.3V及+2.5V，而且由于光耦相对离散性较大，所
7、以该电压存在个体差异，当外部驱动 电路不能够可靠的把输入电压拉低到+2.5V以下，就可能导致电路不能够由1（高电平）翻转 到0（低电平）；接近开关在常闭的状态下，有时会有3V至5V的电压输出（电感负载，需 考虑温度影响），此电压在大于匕+的情况下，将使系统处于误导通（高电平）状态。针对系统所发生不能稳定触发、关断现象的原理分析，拟提高系统匕+、Vt-电压值。在不改动输入模块原理与PCB板的基础上，拟采用如下三种方案： 增大光耦输入侧的电阻R1阻值。R1阻值增加，光耦工作电流下降，导致系统抗干扰能 力下降； 减小光耦输出侧的负载电阻R2,增加光耦的实际工作电流传输比CTR，来提高VT+及VT-，
8、 但采用增加CTR的方式会导致外部输入电流不变的情况下，光耦输出级Vce将加大，这 会导致光耦输出级整型电路的电压噪声容限下降，在不同程度上导致电路的电磁兼容 性指标下降，下降的具体情况要根据光耦负载电阻的减小情况实测而定。 更换TLP181。寻找一个电流传输比小一点的光耦。实验验证周期长。考虑用户5V与24V输入的兼容性，需首先确定系统匕+、七压值。当某某CNC系统输 入模块电阻R1等于3.3K，R2等于2.0K时，输入电压大于4.4V为1（高电平），小于3.3V 为0 （低电平）。不考虑用户5V与24V输入的兼容性，需首先确定系统七、匕一压值。当某某CNC系统 输入模块电阻R1等于3.9K
9、，R2等于1.0K时，输入电压大于6.8V为1 （高电平），小于5.0V 为0 （低电平）。拟采用此种参数值生产10台系统用于测试验证。请技术组及相关人员共同 确认此种方案的可行性。附表:某某CNC系统：表一：R1=3.3K R2=3.6KVi （伏）Vb （伏）Vcc（伏）Vd（伏）If（毫安）Ic（毫安）电流传输比0.30.3570.0005.0890.00000.00000.0000.90.8580.0305.0890.01270.00830.6551.20.9330.0485.0890.08090.01330.1651.50.9740.2295.0890.15940.06360.399
10、1.70.9900.4205.0890.21520.11670.5422.01.0050.7405.0890.30150.20560.6822.51.0211.3475.0890.44820.37420.8352.81.0311.8805.0890.53610.52220.9743.01.0332.0915.0890.59610.58080.9743.21.0382.4475.0890.65520.67971.0383.31.0402.6320.0010.68480.73111.0683.01.0342.2360.0010.59580.62111.0432.71.0281.7270.0010.
11、50670.47970.9472.61.0251.5700.0010.47730.43610.9142.51.0221.4355.0890.44790.39860.890注：红色字体数据表示高低电平跳变时各测试点电压表二：R1=4.7K R2=3.6KVi（伏）Vb （伏）Vcc（伏）Vd（伏）If（毫安）Ic（毫安）电流传输比0.30.3560.0005.0890.00000.00000.0000.50.5550.0005.0890.00000.00000.0000.90.8340.0025.0890.01400.00060.0401.10.9060.0165.0890.04130.0044
12、0.1081.20.9290.0365.0890.05770.01000.1731.30.9420.0595.0890.07620.01640.2151.50.9620.1265.0890.11450.03500.3061.60.9670.1505.0890.13470.04170.3091.70.9760.2165.0890.15400.06000.3901.80.9820.2765.0890.17400.07670.4411.90.9860.3125.0890.19450.08670.4462.00.9930.4105.0890.21430.11390.5322.10.9940.4455.
13、0890.23530.12360.5252.20.9990.5325.0890.25550.14780.5782.41.0060.6805.0890.29660.18890.6372.51.0090.7625.0890.31720.21170.6672.61.0130.8965.0890.33770.24890.7372.71.0150.9595.0890.35850.26640.7432.81.0181.0765.0890.37910.29890.7882.91.0211.2035.0890.39980.33420.8363.01.0231.2865.0890.42060.35720.8493.21.0261.4225.0890.46260.39500.8543.31.0281.5185.0890.48340.42170.8723.41.0301.6865.0890.50430.46830.9293.61.0341.8985.0890.54600.52720.9663.71.0341.9695.0890.56720.54690.9643.81.0382.2055.0890.58770
