多路高線性電流、電壓信號隔離采集板的設計

摘要：針對電流、電壓采集中存在的噪聲干擾問題，分析了電流、電壓準確采樣測量在整個控制系統(tǒng)的重要性。介紹了HCNR201的工作原理，設計了隔離采集板的硬件電路，通過對其工作電流的特殊設置，實現(xiàn)了模擬電壓信號的隔離。實驗結果證明該設計正確可用，具有較高的采集精度和線性度，在對穩(wěn)定度和線性度要求較高的場合具有廣泛的應用前景。
關鍵詞：模擬隔離；線性光耦；電流、電壓檢測

0 引言
在電源系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對電流、電壓等信號進行采集和測量；整個系統(tǒng)由于安裝比較緊湊，工作容易相互產生電磁干擾，有時候供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定更是加劇了電磁環(huán)境的惡化。在強干擾下進行數(shù)據(jù)采集，各種強干擾信號會隨著被測信號進入到采集和測量系統(tǒng)。一方面這些強干擾信號疊加在有用的被測量信號上會影響測量精度，另一方面，高電壓、大電流的的干擾信號竄入處理器電路(如CPU等)，輕則會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，重則會造成這些器件損壞。
為了減小環(huán)境噪聲對采集電路的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并確保測量結果準確，往往將被測電路和測試電路在電氣上進行隔離，可使用霍爾電流、電壓傳感器來實現(xiàn)對電流、電壓的隔離，但高性能的電流、電壓傳感器成本高并且體積較大，不易布局。光電耦合器隔離是一種較理想的選擇，普通光電耦合器具有非線性電流傳輸特性，這對于數(shù)字量和開關量的傳輸不成問題，但是對于模擬量的隔離不能保證傳輸精度。HCRN201是HP公司生產的一種高線性度的模擬光耦，使用它實現(xiàn)的光電隔離電路可實現(xiàn)模擬信號的的穩(wěn)定性、線性度的需要。本文介紹了HCNR201的工作原理，使用該器件設計了針對電流、電壓信號隔離電路，討淪了參數(shù)的選擇，并對試驗結果進行了分析。

1 線性模擬光耦HCNR201結構及工作原理

HCNR201的內部結構如圖1所示。包括一只高性能的AlCaAs型LED(圖1中的LED)，兩只極其相似的光電二極管(圖1中的PD1和PD2)，當LED中流過電流Ip時其所發(fā)出的光會在PD1、PD2中感應出正比于LED發(fā)光強度的光電流IPD1和IPD2，其中IF、IPD1和IPD2滿足以下關系：
IPD1=K1IF (1)
IPD2=K2IF (2)
K=IPD1／IPD1 (3)
式中K1、K2分別為輸入輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值均為0．5％左右。因為IF一般在1～20mA之間，所以IPD1、IPD2一般在50μA以下；K被定義為傳輸增益，當一只HCNR201被制造出來時，K就是一個固定的值了，HCNR201的K值約為1±0．05。再加上PD1、PD2的安裝位置的精確性以及元件先進的封裝設計保證了HCNR201的高線性和增益的穩(wěn)定性。
在使用時，可將第3、4引腳輸出端與第1、2腳引入端一起接入控制回路，其中第3、4引腳的光電二極管PD1起反饋作用，它可將產生的輸出電流反饋到第1、2引腳的發(fā)光LED上，以對輸入信號進行反饋控制。

2 硬件電路的設計
電壓隔離采集電路如圖2所示，此為正負電壓隔離電路，正負相似(電流隔離采集電路與其相似)，它主要由三部分組成。第一部分是精密電阻分壓網(wǎng)絡和第一級運放，第二部分是第二級運放它通過HCNR201組成的負反饋網(wǎng)絡，第三部分是第三級運放它將電流轉換成電壓。

以正電壓隔離采集電路為例，第一只運算放大器U1A做了一級電壓跟隨器，具有輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，能夠有效地減小采樣電路負載對輸入信號的影響，使得后一級的電路更穩(wěn)定地工作。第二只運放U1B和第三只運放U5和U3(HCNR201)構成了信號調理和電氣隔離電路，在電源回路中實現(xiàn)了±12V和+5V地電氣隔離，因此通過HCNR201后，電源電路和檢測回路不再有電氣上地隔離。電容C1、C2用于防止運放U1A、U5出現(xiàn)自激現(xiàn)象，使運放電路穩(wěn)定地工作。電路中的運算放大器U1采用雙運放MC1458，U5采用單運放LM321IDBVR。
根據(jù)運算放大器“虛短”“虛斷”特性有：
IPD1=UV+R3／(R1+R2+R3)R5 (4)
IPD1=UA1／R7 (5)
由等式得：
UA1=V4+(R1+R2)R7／K(R1+R2+R3)R5 (6)
由式(6)可以看出，輸入、輸出電壓之間存在正比的關系，只要適當選取各電阻的值，就可以得到一定比例的隔離輸出電壓。
HCNR201的前半部分采用±12V供電，后半部分采用單+5V供電，這樣電源的各種干擾信號就不會引入到光耦后端的系統(tǒng)。R1、R2、R3組成精密電阻分壓網(wǎng)絡，將電源的電壓轉換成采集卡可以接受的低壓。此電路設計可以實現(xiàn)輸入與輸出的線性變化，經(jīng)過標定后能準確測得輸入模擬量的值。