|
模擬信號量值采集的精確度和穩定度決定了整個(gè)項目的運行可靠程度，然而，現場(chǎng)環(huán)境惡劣，干擾嚴重，為了對模擬信號的線(xiàn)性轉換而不把現場(chǎng)的各種噪聲干擾引入到控制系統，必須將被測模擬信號與控制系統之間進(jìn)行良好的線(xiàn)性隔離。一般情況下，直流隔離措施可采用專(zhuān)用隔離運算放大器（ISO124系列）加配一個(gè)高精度隔離直流電源，通過(guò)電氣耦合的方式來(lái)實(shí)現被測模擬信號與控制系統的線(xiàn)性隔離，但這種方法成本較高而且溫漂較大。本文采用線(xiàn)性光耦HCNR201實(shí)現了被測模擬信號與控制系統之間的線(xiàn)性隔離。線(xiàn)性光耦的隔離原理與普通光耦沒(méi)有太大差別，只是將改變了普通光耦的單發(fā)單收模式，增加一個(gè)用于反饋的光電二極管并且增大了線(xiàn)性區域。兩個(gè)光電二極管都是非線(xiàn)性的，但其非線(xiàn)性特性都是一樣的，所以可以通過(guò)反饋通路的非線(xiàn)性來(lái)抵消直通通路的非線(xiàn)性，從而實(shí)現了信號的線(xiàn)性傳遞。 HCNR201的工作原理 HCNR201是Avago公司推出的高線(xiàn)性光耦器件，通過(guò)外接不同的分立器件，可以實(shí)現交直流電流和電壓的光電隔離轉換電路，其內部結構如圖1所示。HCNR201由高性能的AlGaAs型發(fā)光二極管及兩個(gè)具有嚴格比例關(guān)系的光電二極管PD1和PD2構成。當發(fā)光二極管中流過(guò)電流IF時(shí)，其所發(fā)出的光會(huì )在光電二極管中PD1、PD2感應出正比于LED發(fā)光強度的光電流IPD1、IPD2，其中IF、 IPD1、IPD2滿(mǎn)足以下關(guān)系： 式中K1、K2分別為發(fā)光二極管PD1、PD2的電流傳輸比，其典型值為0.48，范圍為0.36～0.72；K3為該光耦的傳輸增益，其典型值為 1，范圍為0.95～1.05。 圖1 HCNR201內部結構圖 光電二極管PD1接入輸入回路，用于檢測和穩定AlGaAs型發(fā)光二極管的發(fā)光強度，有效地消除了發(fā)光二極管的非線(xiàn)性、漂移等特性，而光電二極管PD2作為輸出電路的一部分，能產(chǎn)生與發(fā)光二極管發(fā)光強度成線(xiàn)性關(guān)系的光電流，實(shí)現測量電路與輸出電路之間的線(xiàn)性傳遞。特性極其相似的光電二極管及先進(jìn)的封裝工藝保證了該光耦的高線(xiàn)性度、傳輸增益穩定等特性。 電壓、電流測量電路的工作原理 圖2給出了測量電壓、電流的電路原理圖，本電路實(shí)現了被測信號與系統的隔離及線(xiàn)性測量的雙重功能，它既可測量直流電壓信號、也可測量直流電流信號：當跳針JP跳到1和2時(shí)，該電路進(jìn)行直流電壓測量；當跳針跳到1和2時(shí)，該電路將輸入直流電流Iin轉換成直流電壓進(jìn)行測量。穩壓管D1可防止過(guò)電壓對電路的沖擊，起到保護測量電路的作用。電壓跟隨器A1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的負載對輸入信號的影響，使得后一級的電路更穩定地工作。電容C1、C2用于防止運放A2、A3自激現象，使運放電路穩定地工作。運放A2、發(fā)光二極管 LED、光電二極管PD1與阻容元件一起構成輸入電路，光電二極管PD1為運放A2引入負反饋，若發(fā)光二極管LED發(fā)光強度發(fā)生變化，運放A2就會(huì )調整 IF的大小以調節發(fā)光二極管的發(fā)光強度，從而使得穩定流過(guò)光電二極管PD1、PD2的電流。運放A3、光電二極管PD2與阻容元件一起構成輸出電路，將流過(guò)光電二極管PD2的光電流信號轉換為電壓信號。 圖2 電壓、電流測量電路 1 電壓測量原理分析 被測信號是電壓信號Vin時(shí)，將跳針跳到1、2。根據運算放大器“虛斷”、“虛短” 特性，有： 2 電流測量原理分析 被測信號是電流信號Iin時(shí)，將跳針跳到2、3，采樣電阻R1將電流信號轉化為電壓信號，以供后續的電路測量。此時(shí)，電壓測量電路的輸入電壓為 實(shí)驗結果與分析 為提高測量精度，運算放大器A1、A2、A3采用ADI公司的高精度運放AD8672，采用±12V電源供電，需要注意的是運放A1、A2與運放A3的電源和地要做好隔離，以防止外界干擾信號通過(guò)電源和地竄入到系統中。通過(guò)Pspice仿真和多次的實(shí)驗，最終電阻R2、R3、 R4選取為200kΩ、1kΩ、200kΩ,電容C1、C2選取為4700pF，穩壓管選取為UDZ10。根據公式（7）可知：Uout=K3Uin。 對范圍為0～10V的直流電壓信號進(jìn)行測量，針對不同的輸入電壓，對輸出電壓進(jìn)行測量，取得20組數據，如表1所示。運用Excel“圖表工具”中“XY散點(diǎn)圖”進(jìn)行分析，得到擬合直線(xiàn)方程為y=0.9981x+0.001，如圖3所示。利用該擬合直線(xiàn)可計算出電壓測量電路的線(xiàn)性度為 0.75%。 圖3 電壓測量時(shí)輸入輸出的關(guān)系 圖4 測量電流時(shí)輸入輸出的關(guān)系 對范圍0～30mA直流電流進(jìn)行測量，針對不同的輸入電流，對輸出電壓進(jìn)行測量，取得6組數據，如表1所示。同樣利用Excel的工具繪制出輸入電流與輸出電壓的關(guān)系圖，如圖4所示，并得到擬合直線(xiàn)方程為y=x-0，利用該擬合方程計算出電流測量電路的線(xiàn)性度為0.85%。 |
