高云霞
（北京青云航空仪表有限公司，北京 101300）
在航空工业领域，离散量处理电路是很重要的组成部分，如机载设备的指示灯状态、开关状态、电机转动等都需要通过离散量表征[1,2]。离散量是只有2个状态的开关量的集合，通常划分为“地/开”“电压/地”“电压/开”3种类型，其中“电压”代表高电平，可以是10 V、15 V、28 V等形式，“开”指的是物理概念的开路[3,4]。离散量电路的处理技术也随着应用环境的变化而不同，本文总结了常用离散量接口处理电路的实现方法，给出了一种经过使用验证的28 V/开路的离散量输出电路设计思路。
离散量处理电路从功能上分为输入和输出2种。输入型离散量信号的采集电路将不同状态转换为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）电平或者逻辑门电路（Transistor Transistor Logic，TTL）电平信号；
输出型离散量信号处理电路是将CMOS或TTL电平信号转换为具有一定驱动能力的状态信号。
采集离散量输入信号的电路主要分为隔离型和非隔离型2种[5,6]。其中，隔离型电路一般采用光耦和分立阻容搭建，再加以必要的防护电路，可以避免系统内信号受到负载端异常时的不良影响。这类电路原理相对简单，但是不适用于多路输入的采集。另一种输入采集方法是使用集成芯片。国际上的大公司（如DEI、HOLT）提供离散量信号处理的芯片，这类芯片通常具有多路，且各通道能单独配置成不同格式的信号处理机制，输出端通常也具有多种形式，如串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、并口等可直接连接处理器。随着技术的不断发展，集成芯片也集成了雷电防护等功能，大大节约了分立器件的防护电路的设计。国内目前也能提供类似集成芯片，但是未大规模成熟应用。集成芯片的优势在于能够同时处理多通道信号，占用电路板面积资源少，缺点在于各通道故障不能完全隔离，返修更换成本较大。非隔离型采集电路主要分为基于分立阻容器件和基于比较器2种。分立阻容器件的基本实现原理是通过电阻网络分压进行电平转换，并对电压进行滤波，再经过反相器进行逻辑转换；
基于比较器的采集电路前端通过电阻网络分压进行电压转换，再经过比较器完成逻辑电平的生成，有时为了保护后级电路的接收，在比较器后增加一个数据缓冲器，然后再进入处理器处理。
离散量输出的处理方式也分为隔离型和非隔离型，2种类型的电路均使用分立器件进行搭建。隔离型的电路常用晶体管或场效应管做第一级驱动，用继电器作为开关输出，继电器可满足不同驱动电流的需求，但是体积较大，要设计保护和监测电路比较困难。也可以在第一级使用光耦做光电隔离，使用晶体管或场效应管做驱动输出。非隔离型电路通常用于小电流驱动需求，如果通道较多，则使用达林顿晶体管做输出端。
基于上述对行业内的技术调研，结合实际使用需求，本文给出了一种隔离型28 V/开路的离散量输出电路。
2.1 28 V/开路的离散量输出电路需求
系统需求为输出一种离散量信号，信号格式为28 V/开路，对应的物理含义如下。28 V为系统输出有效，开路为系统无效，用于用户方识别系统是否正常工作。根据系统需求，结合系统的总体设计，细化了该需求，识别出能够用于指导电路设计的要求。
电路实现的逻辑需求：电路输入端信号A为高时，输出为开；
电路输入端信号A为低时，输出为28 V。此处的电路输入端信号A是指逻辑电平，与本文设计的电路位于同一电路板，高电平为5 V，低电平为0 V。
2.2 系统设计与原理实现
根据2.1节的需求总结出如图1所示的系统设计框架，其中包含4个功能电路，分别是输入电源处理电路、隔离电路、电平反相电路以及输出驱动与防护电路。此外，在不同功能模块电路中具有一些基本的滤波及保护电路。电源输入端处理电路如图2所示，隔离、反相及输出电路原理如图3所示。
图1 28 V/开路的离散量输出系统设计框架
图2 电源输入端处理电路
图3 隔离、反相及输出电路原理
2.3 功能电路设计
2.3.1 输入端电源处理
因实现28 V/开路的逻辑需输出到外部设备，为避免外部信号影响系统自身，该28 V电源不与外部输入28 V共用。滤波器的输入端使用LC进行滤波，输出端加电容进行滤波。该滤波器体积小，刚好能够实现对前后级电源的隔离需求。滤波器输入端的28 V电源在进行电源特性试验时电压值稳定在40 V，因此后级的各项保护措施电路均在此条件下设计。此外，滤波器的额定电压为100 V，额定电流为1 A，滤波频段为0.01～10 MHz。对生成的28 V进行滤波，各滤波电容的耐压值结合降额设计考虑选择100 V，容值常规选择1 μF。
2.3.2 隔离电路
隔离电路主要是将前端控制信号与后级进行隔离，隔离器件选择单通道的光电耦合器（以下简称“光耦”）。光耦电路的设计就是保证既能使输入端二极管导通，同时能使输出端三极管导通。本电路选择的光耦输入端能承受的最大电流为20 mA，输出电流为50 mA，输入电压DA_OUT高电平时为5 V，故需匹配一个阻值为470 Ω的限流电阻，输入电流最大为10.6 mA，小于20 mA。输入端为高电平时光耦导通，输入端为低电平时光耦截止。
2.3.3 逻辑电平转换
因输入控制端的信号与输出端的需求相反，故在中间使用三极管做逻辑转换。三极管选择常用的NPN型。前级光耦导通时，基极输入电压近似为0 V，此时三极管截止；
前级光耦截止时，基极输入电压大于导通电压，三极管导通。设计时需保证三极管能够可靠截止，导通时能够工作在饱和区。电路中R18为基极限流电阻，稳压二极管为保护电路，当28 V电源出现尖峰时能够保护前级光耦不被损坏，同时也能防止因大电压对后级的三极管基极-发射极造成损坏。此外，限流电阻的大小应为1～10 kΩ，若阻值太小，前级光耦截止时的基极电压大于低电平0.4 V，导致三极管不能可靠截止。
2.3.4 输出电路
因输出端需要满足负载使用需求，输出电流不小于20 mA，同时结合负载的阻抗特性，设计了输出匹配电阻。选用P沟道的MOS场效应管作为开关，既能够满足逻辑输出的需要，又能够提供足够的电流。场效应管的栅-源开启电压典型值为-3.5 V，栅极与前级三极管集电极相连，综合分析计算选用10 kΩ电阻分压28 V。输入端DA_OUT为低电平时，场效应管导通，输出端为高点平28 V；
输入端DA_OUT为高电平时，场效应管截止，输出为开路，输出电流从场效应管的漏极输出。考虑接收端的负载情况，负载阻抗约为5 kΩ，输出端需匹配一个电阻，阻值远小于负载电阻。该输出端电阻对系统自身电路具有一定的保护作用，当输出端异常短路时，输出高电平电压全部由该电阻承受。电阻封装选择1206，额定功耗为0.25 W，满足正常工作时的功耗降额需求，异常时该电阻可能被损坏，但是前级电路不受影响。
防护方面，输出端增加了一个防止反向大电压的二极管，二极管反向击穿电压远大于输出端的异常电压。本电路选择了反向击穿电压为100 V的二极管。为保护场效应管在电源尖峰时不受损坏，使用一个稳压管保护栅-源极，稳压管的稳压值在场效应管的栅-源电压极限值内。
初次调试时，图3电路中电阻R8和R18的阻值分别是4.7 kΩ和1 kΩ，测试发现输入端DA_OUT为高电平时光耦输出端的电压为0.625 V，此时理论上后级的三极管未能导通，但测试发现此时三极管处于临界导通状态。集电极-发射极之间阻抗很小，且有一定的压降，导致输出端场效应管导通，输出为27 V，不满足设计需求。经分析，系R8、R18这2个电阻阻值不合适造成三极管基极电流偏大，尽管前级光耦输出理论值为0 V，但实际受到后级影响导致基极电压接近于三极管导通电压。后更换电阻R8为10 kΩ，R18为4.7 kΩ，再次测试基极电压为0.201 V，三极管可靠截止。后查阅资料，三极管可靠截止时基极电位不大于0.2 V，可以是负电压，所以调试更换电阻后是一个合适的状态。整机总装之后，测试设备能实现信号灯的亮灭，测试电压符合要求。联调联试时接入实际使用的负载设备，该设备能够正常响应，在28 V状态下测试输出电压约为26.5 V，开路状态下测试电压为0.05 V，对地电阻约为1 MΩ，满足需求。最后整机产品经过了温度冲击、振动等环境应力试验及电源特性试验，均能够稳定工作。
本设计给出了一种28 V/开路的离散量输出电路设计，电路采用三极管、阻容等分立器件的结构设计，属于隔离型接口电路，适用于离散量输出接口通道少、电路板占用面积少的设计需求。
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