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多路高线性电流、电压信号隔离采集板的设计
时间:2021-05-14 20:27

  针对电流、电压采集中存在的噪声干扰问题,分析了电流、电压准确采样测量在整个控制系统的重要性。介绍了HCNR201的工作原理,设计了隔离采集板的硬件电路,通过对其工作电流的特殊设置,实现了模拟电压信号的隔离。实验结果证明该设计正确可用,具有较高的采集精度和线性度,在对稳定度和线性度要求较高的场合具有广泛的应用前景。

  在电源系统中,经常需要对电流、电压等信号进行采集和测量;整个系统由于安装比较紧凑,工作容易相互产生电磁干扰,有时候供电系统的不稳定更是加剧了电磁环境的恶化。在强干扰下进行数据采集,各种强干扰信号会随着被测信号进入到采集和测量系统。一方面这些强干扰信号叠加在有用的被测量信号上会影响测量精度,另一方面,高电压、大电流的的干扰信号窜入处理器电路(如CPU等),轻则会造成系统不稳定,重则会造成这些器件损坏。

  为了减小环境噪声对采集电路的影响,提高系统稳定性并确保测量结果准确,往往将被测电路和测试电路在电气上进行隔离,可使用霍尔电流、电压传感器来实现对电流、电压的隔离,但高性能的电流、电压传感器成本高并且体积较大,不易布局。光电耦合器隔离是一种较理想的选择,普通光电耦合器具有非线性电流传输特性,这对于数字量和开关量的传输不成问题,但是对于模拟量的隔离不能保证传输精度。HCRN201是HP公司生产的一种高线性度的模拟光耦,使用它实现的光电隔离电路可实现模拟信号的的稳定性、线性度的需要。本文介绍了HCNR201的工作原理,使用该器件设计了针对电流、电压信号隔离电路,讨沦了参数的选择,并对试验结果进行了分析。

  HCNR201的内部结构如图1所示。包括一只高性能的AlCaAs型LED(图1中的LED),两只极其相似的光电二极管(图1中的PD1和PD2),当LED中流过电流Ip时其所发出的光会在PD1、PD2中感应出正比于LED发光强度的光电流IPD1和IPD2,其中IF、IPD1和IPD2满足以下关系:

  式中K1、K2分别为输入输出光电二极管的电流传输比,其典型值均为0.5%左右。因为IF一般在1~20mA之间,所以IPD1、IPD2一般在50A以下;K被定义为传输增益,当一只HCNR201被制造出来时,K就是一个固定的值了,HCNR201的K值约为10.05。再加上PD1、PD2的安装位置的精确性以及元件先进的封装设计保证了HCNR201的高线性和增益的稳定性。

  在使用时,可将第3、4引脚输出端与第1、2脚引入端一起接入控制回路,其中第3、4引脚的光电二极管PD1起反馈作用,它可将产生的输出电流反馈到第1、2引脚的发光LED上,以对输入信号进行反馈控制。

  电压隔离采集电路如图2所示,此为正负电压隔离电路,正负相似(电流隔离采集电路与其相似),它主要由三部分组成。第一部分是精密电阻分压网络和第一级运放,第二部分是第二级运放它通过HCNR201组成的负反馈网络,第三部分是第三级运放它将电流转换成电压。

  以正电压隔离采集电路为例,第一只运算放大器U1A做了一级电压跟随器,具有输入高阻抗,输出低阻抗的特性,能够有效地减小采样电路负载对输入信号的影响,使得后一级的电路更稳定地工作。第二只运放U1B和第三只运放U5和U3(HCNR201)构成了信号调理和电气隔离电路,在电源回路中实现了12V和+5V地电气隔离,因此通过HCNR201后,电源电路和检测回路不再有电气上地隔离。电容C1、C2用于防止运放U1A、U5出现自激现象,使运放电路稳定地工作。电路中的运算放大器U1采用双运放MC1458,U5采用单运放LM321IDBVR。

  由式(6)可以看出,输入、输出电压之间存在正比的关系,只要适当选取各电阻的值,就可以得到一定比例的隔离输出电压。

  HCNR201的前半部分采用12V供电,后半部分采用单+5V供电,这样电源的各种干扰信号就不会引入到光耦后端的系统。R1、R2、R3组成精密电阻分压网络,将电源的电压转换成采集卡可以接受的低压。ag在线平台网站,此电路设计可以实现输入与输出的线性变化,经过标定后能准确测得输入模拟量的值。

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