一種高精度直流模擬量隔離傳輸電路的設(shè)計(jì)

摘要：在工業(yè)應(yīng)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(yùn)行，往往使用電量隔離技術(shù)傳輸信號(hào)。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(jiǎn)化的脈沖密度調(diào)制原理，跟蹤待傳輸的直流信號(hào)，控制脈沖波的輸出，將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖，經(jīng)光耦隔離后送入濾波器還原出原信號(hào)。此電路具有體積小、成本低的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：脈沖密度調(diào)制；TLP521-2；低通RC濾波器；模擬量隔離

0 前言
在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，工業(yè)系統(tǒng)或設(shè)備通常采用電氣隔離技術(shù)來提高自身的抗干擾能力。光電隔離方法是目前應(yīng)用較廣的電氣隔離技術(shù)。它主要使用光耦來實(shí)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(hào)若使用光耦直接進(jìn)行線性隔離傳輸，其實(shí)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(hào)使用光耦隔離傳輸則不受非線性的影響，方法簡(jiǎn)單，也比較成熟。因此，數(shù)字化的方式隔離傳輸模擬信號(hào)，既可以避免光耦的非線性特性對(duì)信號(hào)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(jié)合脈沖密度調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)直流模擬量隔離傳輸?shù)碾娐?。電路使用了模?shù)混合處理的方式，摒棄了純模擬信號(hào)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?；诖?，電路設(shè)計(jì)中首先利用簡(jiǎn)易的脈沖密度調(diào)制技術(shù)將待傳輸?shù)闹绷髂M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后選用普通光耦用于信號(hào)隔離傳輸數(shù)字量，最后根據(jù)隔離傳輸后信號(hào)還原出模擬量。
1．1 脈沖密度調(diào)制
脈沖密度調(diào)制是一種脈沖調(diào)制技術(shù)，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(gè)脈沖。調(diào)制后脈沖波可能在一段時(shí)間內(nèi)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(shí)間T內(nèi)，出現(xiàn)了n個(gè)基本脈沖。則在此時(shí)間內(nèi)，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(shí)的幅度，并且默認(rèn)低電平的電壓為0。也就是說，觀察時(shí)間內(nèi)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(diào)制波經(jīng)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(diào)制原理的電路，只需控制單位時(shí)間內(nèi)基本脈沖的數(shù)量，就可以調(diào)節(jié)直流分量的大小，從而達(dá)到等效數(shù)模轉(zhuǎn)換器的目的。
1．2 電路工作原理
本電路工作時(shí)實(shí)際使用了簡(jiǎn)化的脈沖密度調(diào)制方法。電路控制的脈沖波只會(huì)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(dāng)于零電位?？刂齐娐吠ㄟ^這兩種形式的組合，調(diào)節(jié)單位時(shí)間內(nèi)的直流分量，跟蹤輸入的直流模擬信號(hào)。

系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示，虛線代表兩側(cè)電路相互電氣隔離。電路中脈沖發(fā)生器產(chǎn)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(fù)責(zé)將脈沖波中直流分量提取出來。比較單元將待測(cè)信號(hào)VIN與濾波輸出的電壓VREF進(jìn)行比較判決，判決輸出的電平信號(hào)隔離后控制脈沖發(fā)生器的工作。該信號(hào)低電平時(shí)，脈沖發(fā)生器持續(xù)產(chǎn)生脈沖；高電平時(shí)，脈沖發(fā)生器不輸出脈沖。
電路剛上電時(shí)，低通濾波I輸出VREF為零。此時(shí)VIN大于VREF，C PDM為低電平，脈沖發(fā)生器不斷產(chǎn)生脈沖送入低通濾波I和II中，VREF逐漸增長(zhǎng)。當(dāng)VREF大于VIN時(shí)，C PDM為高電平，脈沖發(fā)生器停止脈沖輸出，導(dǎo)致VREF下降。當(dāng)VREF小于VIN時(shí)，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(fù)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(shè)計(jì)
CMOS門電路構(gòu)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(shè)定10Hz左右，fp>>fLP可以確保獲取脈沖波的直流分量?？紤]到光耦在傳輸變化較快的數(shù)字量時(shí)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(huì)造成送入低通濾波器的波形不一致。一般認(rèn)為同一封裝內(nèi)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(hào)的一致性，設(shè)計(jì)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(gè)濾波單元的脈沖波經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管及相關(guān)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(jí)參考電壓源VREF1、VREF2都為10V供電，根據(jù)上文分析，可知測(cè)量的待測(cè)電壓范圍最大值0．5×10=5V。我們也可以將脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)成占空比可調(diào)的脈沖電路，適當(dāng)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(yīng)時(shí)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(dāng)提高電路跟蹤直流模擬量的響應(yīng)時(shí)間，可將圖2中的濾波器設(shè)計(jì)成一階無源RC低通濾波器，同時(shí)增大方波振蕩頻率與低通截止頻率兩者的頻率比值。

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

4 結(jié)語
電路基于簡(jiǎn)易的脈沖密度調(diào)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(hào)傳輸帶來的弊端。由純硬件電路實(shí)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(jí)處理電路，如I／V變換，制成如4～20mA轉(zhuǎn)換成1～5V模擬隔離傳輸電路，擴(kuò)展電路應(yīng)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(hào)。本電路已成功應(yīng)用于某型設(shè)備電子線路板檢測(cè)裝置中，監(jiān)測(cè)線路板上需隔離檢測(cè)的直流測(cè)試點(diǎn)。