多路高線性電流、電壓信號(hào)隔離采集板的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)電流、電壓采集中存在的噪聲干擾問題，分析了電流、電壓準(zhǔn)確采樣測(cè)量在整個(gè)控制系統(tǒng)的重要性。介紹了HCNR201的工作原理，設(shè)計(jì)了隔離采集板的硬件電路，通過對(duì)其工作電流的特殊設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了模擬電壓信號(hào)的隔離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該設(shè)計(jì)正確可用，具有較高的采集精度和線性度，在對(duì)穩(wěn)定度和線性度要求較高的場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：模擬隔離；線性光耦；電流、電壓檢測(cè)

0 引言
在電源系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對(duì)電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行采集和測(cè)量；整個(gè)系統(tǒng)由于安裝比較緊湊，工作容易相互產(chǎn)生電磁干擾，有時(shí)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(qiáng)干擾下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各種強(qiáng)干擾信號(hào)會(huì)隨著被測(cè)信號(hào)進(jìn)入到采集和測(cè)量系統(tǒng)。一方面這些強(qiáng)干擾信號(hào)疊加在有用的被測(cè)量信號(hào)上會(huì)影響測(cè)量精度，另一方面，高電壓、大電流的的干擾信號(hào)竄入處理器電路(如CPU等)，輕則會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，重則會(huì)造成這些器件損壞。
為了減小環(huán)境噪聲對(duì)采集電路的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，往往將被測(cè)電路和測(cè)試電路在電氣上進(jìn)行隔離，可使用霍爾電流、電壓傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)于數(shù)字量和開關(guān)量的傳輸不成問題，但是對(duì)于模擬量的隔離不能保證傳輸精度。HCRN201是HP公司生產(chǎn)的一種高線性度的模擬光耦，使用它實(shí)現(xiàn)的光電隔離電路可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)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(shè)計(jì)了針對(duì)電流、電壓信號(hào)隔離電路，討淪了參數(shù)的選擇，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 線性模擬光耦HCNR201結(jié)構(gòu)及工作原理

HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)LED中流過電流Ip時(shí)其所發(fā)出的光會(huì)在PD1、PD2中感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流IPD1和IPD2，其中IF、IPD1和IPD2滿足以下關(guān)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?yàn)镮F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(dāng)一只HCNR201被制造出來時(shí)，K就是一個(gè)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(jìn)的封裝設(shè)計(jì)保證了HCNR201的高線性和增益的穩(wěn)定性。
在使用時(shí)，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?zhàn)饔?，它可將產(chǎn)生的輸出電流反饋到第1、2引腳的發(fā)光LED上，以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反饋控制。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)
電壓隔離采集電路如圖2所示，此為正負(fù)電壓隔離電路，正負(fù)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(luò)和第一級(jí)運(yùn)放，第二部分是第二級(jí)運(yùn)放它通過HCNR201組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，第三部分是第三級(jí)運(yùn)放它將電流轉(zhuǎn)換成電壓。

以正電壓隔離采集電路為例，第一只運(yùn)算放大器U1A做了一級(jí)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(fù)載對(duì)輸入信號(hào)的影響，使得后一級(jí)的電路更穩(wěn)定地工作。第二只運(yùn)放U1B和第三只運(yùn)放U5和U3(HCNR201)構(gòu)成了信號(hào)調(diào)理和電氣隔離電路，在電源回路中實(shí)現(xiàn)了±12V和+5V地電氣隔離，因此通過HCNR201后，電源電路和檢測(cè)回路不再有電氣上地隔離。電容C1、C2用于防止運(yùn)放U1A、U5出現(xiàn)自激現(xiàn)象，使運(yùn)放電路穩(wěn)定地工作。電路中的運(yùn)算放大器U1采用雙運(yùn)放MC1458，U5采用單運(yùn)放LM321IDBVR。
根據(jù)運(yùn)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(guān)系，只要適當(dāng)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(hào)就不會(huì)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(luò)，將電源的電壓轉(zhuǎn)換成采集卡可以接受的低壓。此電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的線性變化，經(jīng)過標(biāo)定后能準(zhǔn)確測(cè)得輸入模擬量的值。