一種高精度直流模擬量隔離傳輸電路的設計

摘要：在工業(yè)應用中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和確保系統(tǒng)安全可靠地運行，往往使用電量隔離技術傳輸信號。文章提出一種傳輸直流模擬量的隔離電路。此電路主要由非線性光耦、低通濾波器、脈沖發(fā)生電路及控制單元組成。它使用簡化的脈沖密度調制原理，跟蹤待傳輸的直流信號，控制脈沖波的輸出，將直流信號轉換成脈沖，經光耦隔離后送入濾波器還原出原信號。此電路具有體積小、成本低的特點。
關鍵詞：脈沖密度調制；TLP521-2；低通RC濾波器；模擬量隔離

0 前言
在復雜的電磁環(huán)境下，工業(yè)系統(tǒng)或設備通常采用電氣隔離技術來提高自身的抗干擾能力。光電隔離方法是目前應用較廣的電氣隔離技術。它主要使用光耦來實現(xiàn)。通常光電耦合器電流傳輸特性都是非線性的，模擬信號若使用光耦直接進行線性隔離傳輸，其實現(xiàn)方法和隔離傳輸?shù)木仁芄怦顐鬏斕匦缘挠绊?，往往線性度和精度都不高。而數(shù)字信號使用光耦隔離傳輸則不受非線性的影響，方法簡單，也比較成熟。因此，數(shù)字化的方式隔離傳輸模擬信號，既可以避免光耦的非線性特性對信號傳輸造成的影響，又能利用成熟的數(shù)字傳輸方法。
本文正是根據(jù)以上思路，提出一種使用成熟的光電隔離傳輸數(shù)字量的方法，結合脈沖密度調制原理實現(xiàn)直流模擬量隔離傳輸?shù)碾娐贰ｋ娐肥褂昧四?shù)混合處理的方式，摒棄了純模擬信號處理的一些局限性。

1 系統(tǒng)工作原理
光耦通常用于傳輸數(shù)字量，不適宜直接傳輸模擬量，除非使用非線性度很小的線性光耦。基于此，電路設計中首先利用簡易的脈沖密度調制技術將待傳輸?shù)闹绷髂M量轉換為數(shù)字量，然后選用普通光耦用于信號隔離傳輸數(shù)字量，最后根據(jù)隔離傳輸后信號還原出模擬量。
1．1 脈沖密度調制
脈沖密度調制是一種脈沖調制技術，脈沖波由基本脈沖組成。基本脈沖一般是占空比固定，脈沖寬度固定的單個脈沖。調制后脈沖波可能在一段時間內連續(xù)出現(xiàn)基本脈沖，也可能沒有任何脈沖出現(xiàn)。如果基本脈沖占空比為D，脈沖寬度為Tp，在一段觀察時間T內，出現(xiàn)了n個基本脈沖。則在此時間內，脈沖波所含的直流分量為D·nTpVD／T。其中VD代表基本脈沖高電平時的幅度，并且默認低電平的電壓為0。也就是說，觀察時間內脈沖數(shù)越多，直流分量越大；脈沖數(shù)越少，直流分量越小。
脈沖密度調制波經低通濾波器后可以濾出其中的直流分量。因此使用脈沖密度調制原理的電路，只需控制單位時間內基本脈沖的數(shù)量，就可以調節(jié)直流分量的大小，從而達到等效數(shù)模轉換器的目的。
1．2 電路工作原理
本電路工作時實際使用了簡化的脈沖密度調制方法。電路控制的脈沖波只會有兩種形式出現(xiàn)。一種是以連續(xù)的基本脈沖波形組成，另外一種則是無任何波形出現(xiàn)，相當于零電位。控制電路通過這兩種形式的組合，調節(jié)單位時間內的直流分量，跟蹤輸入的直流模擬信號。

系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示，虛線代表兩側電路相互電氣隔離。電路中脈沖發(fā)生器產牛脈沖波， 一路隔離后送入低通濾波I中，另一路送入低通濾波II中。兩路低通濾波電路參數(shù)完全一致，負責將脈沖波中直流分量提取出來。比較單元將待測信號VIN與濾波輸出的電壓VREF進行比較判決，判決輸出的電平信號隔離后控制脈沖發(fā)生器的工作。該信號低電平時，脈沖發(fā)生器持續(xù)產生脈沖；高電平時，脈沖發(fā)生器不輸出脈沖。
電路剛上電時，低通濾波I輸出VREF為零。此時VIN大于VREF，C PDM為低電平，脈沖發(fā)生器不斷產生脈沖送入低通濾波I和II中，VREF逐漸增長。當VREF大于VIN時，C PDM為高電平，脈沖發(fā)生器停止脈沖輸出，導致VREF下降。當VREF小于VIN時，C PDM再次為低電平，脈沖發(fā)生器又輸出連續(xù)脈沖。周而復始，電路參數(shù)VREF始終跟蹤VIN變化。由于低通濾波I、II參數(shù)一致，輸入脈沖波形一致，因而可以保證V0=VREF= VIN。

2 硬件設計
CMOS門電路構成RC振蕩器，按圖2所示電路中方波振蕩頻率fp約為5kHz。系統(tǒng)框圖中低通濾波電路I、II在此電路中由二階無源RC電路組成，低通截止頻率fLP設定10Hz左右，fp>>fLP可以確保獲取脈沖波的直流分量。考慮到光耦在傳輸變化較快的數(shù)字量時存在一定延遲和波形失真，如果脈沖波一路隔離，另一路未處理，會造成送入低通濾波器的波形不一致。一般認為同一封裝內的多路光電耦合器的特性參數(shù)幾乎一致，因而為了確保送入兩路濾波單元信號的一致性，設計中使用了集成兩路光電耦合器的芯片TLP521-2。

圖2中送入兩個濾波單元的脈沖波經場效應管及相關電路處理后，可以保證脈沖低電平電壓非常接近零電位，高電平幅值幾乎就是參考電源?？紤]到脈沖發(fā)生電路的脈沖波形占空比約為50％，且隔離前后級參考電壓源VREF1、VREF2都為10V供電，根據(jù)上文分析，可知測量的待測電壓范圍最大值0．5×10=5V。我們也可以將脈沖發(fā)生器設計成占空比可調的脈沖電路，適當提高占空比，可以降低供電電源電壓幅度，降低功耗。
原理圖中采用二階低通濾波的方法，犧牲了部分響應時間，獲得紋波較小的直流分量。在保證一定的隔離傳輸精度的前提下，若需要適當提高電路跟蹤直流模擬量的響應時間，可將圖2中的濾波器設計成一階無源RC低通濾波器，同時增大方波振蕩頻率與低通截止頻率兩者的頻率比值。

3 測試結果
直流模擬量隔離傳輸?shù)碾妷悍秶?～5v。為檢驗其隔離傳輸?shù)木龋瑴y試選取了50個電壓監(jiān)測點。測量從0．1V至5V，每隔0．1V記錄輸入電壓及輸出電壓。測試值由兩臺安捷倫6位半數(shù)字萬用表34401A獲得，一臺用于測量隔離前輸入的直流電壓，另一臺用于測量隔離后輸出的直流電壓。測試時兩臺數(shù)字萬用表使用的電源相互隔離，其中有一臺由隔離變壓器輸出供電。測得50組數(shù)據(jù)中輸入與輸出的最大絕對誤差為12mV，故該電路的傳輸精度優(yōu)于0．5％。

4 結語
電路基于簡易的脈沖密度調制原理，使用了成熟的數(shù)字量隔離方法克服了光耦非線性特性給直流模擬信號傳輸帶來的弊端。由純硬件電路實現(xiàn)隔離傳輸有助于提高電路本身的抗干擾性。此電路可通過增加前級處理電路，如I／V變換，制成如4～20mA轉換成1～5V模擬隔離傳輸電路，擴展電路應用范圍。受電路性能的影響，只適合傳送直流或近似直流的隔離模擬信號。本電路已成功應用于某型設備電子線路板檢測裝置中，監(jiān)測線路板上需隔離檢測的直流測試點。