一种高精度直流模拟量隔离传输电路的设计

摘要：在工业应用中，为了提高系统的抗干扰能力和确保系统安全可靠地运行，往往使用电量隔离技术传输信号。文章提出一种传输直流模拟量的隔离电路。此电路主要由非线性光耦、低通滤波器、脉冲发生电路及控制单元组成。它使用简化的脉冲密度调制原理，跟踪待传输的直流信号，控制脉冲波的输出，将直流信号转换成脉冲，经光耦隔离后送入滤波器还原出原信号。此电路具有体积小、成本低的特点。
关键词：脉冲密度调制；TLP521-2；低通RC滤波器；模拟量隔离

0 前言
    在复杂的电磁环境下，工业系统或设备通常采用电气隔离技术来提高自身的抗干扰能力。光电隔离方法是目前应用较广的电气隔离技术。它主要使用光耦来实现。通常光电耦合器电流传输特性都是非线性的，模拟信号若使用光耦直接进行线性隔离传输，其实现方法和隔离传输的精度受光耦传输特性的影响，往往线性度和精度都不高。而数字信号使用光耦隔离传输则不受非线性的影响，方法简单，也比较成熟。因此，数字化的方式隔离传输模拟信号，既可以避免光耦的非线性特性对信号传输造成的影响，又能利用成熟的数字传输方法。
    本文正是根据以上思路，提出一种使用成熟的光电隔离传输数字量的方法，结合脉冲密度调制原理实现直流模拟量隔离传输的电路。电路使用了模数混合处理的方式，摒弃了纯模拟信号处理的一些局限性。

1 系统工作原理
    光耦通常用于传输数字量，不适宜直接传输模拟量，除非使用非线性度很小的线性光耦。基于此，电路设计中首先利用简易的脉冲密度调制技术将待传输的直流模拟量转换为数字量，然后选用普通光耦用于信号隔离传输数字量，最后根据隔离传输后信号还原出模拟量。
1．1 脉冲密度调制
    脉冲密度调制是一种脉冲调制技术，脉冲波由基本脉冲组成。基本脉冲一般是占空比固定，脉冲宽度固定的单个脉冲。调制后脉冲波可能在一段时间内连续出现基本脉冲，也可能没有任何脉冲出现。如果基本脉冲占空比为D，脉冲宽度为Tp，在一段观察时间T内，出现了n个基本脉冲。则在此时间内，脉冲波所含的直流分量为D·nTpVD／T。其中VD代表基本脉冲高电平时的幅度，并且默认低电平的电压为0。也就是说，观察时间内脉冲数越多，直流分量越大；脉冲数越少，直流分量越小。
    脉冲密度调制波经低通滤波器后可以滤出其中的直流分量。因此使用脉冲密度调制原理的电路，只需控制单位时间内基本脉冲的数量，就可以调节直流分量的大小，从而达到等效数模转换器的目的。
1．2 电路工作原理
    本电路工作时实际使用了简化的脉冲密度调制方法。电路控制的脉冲波只会有两种形式出现。一种是以连续的基本脉冲波形组成，另外一种则是无任何波形出现，相当于零电位。控制电路通过这两种形式的组合，调节单位时间内的直流分量，跟踪输入的直流模拟信号。

    系统工作原理框图如图1所示，虚线代表两侧电路相互电气隔离。电路中脉冲发生器产牛脉冲波， 一路隔离后送入低通滤波I中，另一路送入低通滤波II中。两路低通滤波电路参数完全一致，负责将脉冲波中直流分量提取出来。比较单元将待测信号VIN与滤波输出的电压VREF进行比较判决，判决输出的电平信号隔离后控制脉冲发生器的工作。该信号低电平时，脉冲发生器持续产生脉冲；高电平时，脉冲发生器不输出脉冲。
    电路刚上电时，低通滤波I输出VREF为零。此时VIN大于VREF，C PDM为低电平，脉冲发生器不断产生脉冲送入低通滤波I和II中，VREF逐渐增长。当VREF大于VIN时，C PDM为高电平，脉冲发生器停止脉冲输出，导致VREF下降。当VREF小于VIN时，C PDM再次为低电平，脉冲发生器又输出连续脉冲。周而复始，电路参数VREF始终跟踪VIN变化。由于低通滤波I、II参数一致，输入脉冲波形一致，因而可以保证V0=VREF= VIN。

2 硬件设计
    CMOS门电路构成RC振荡器，按图2所示电路中方波振荡频率fp约为5kHz。系统框图中低通滤波电路I、II在此电路中由二阶无源RC电路组成，低通截止频率fLP设定10Hz左右，fp>>fLP可以确保获取脉冲波的直流分量。考虑到光耦在传输变化较快的数字量时存在一定延迟和波形失真，如果脉冲波一路隔离，另一路未处理，会造成送入低通滤波器的波形不一致。一般认为同一封装内的多路光电耦合器的特性参数几乎一致，因而为了确保送入两路滤波单元信号的一致性，设计中使用了集成两路光电耦合器的芯片TLP521-2。

     图2中送入两个滤波单元的脉冲波经场效应管及相关电路处理后，可以保证脉冲低电平电压非常接近零电位，高电平幅值几乎就是参考电源。考虑到脉冲发生电路的脉冲波形占空比约为50％，且隔离前后级参考电压源VREF1、VREF2都为10V供电，根据上文分析，可知测量的待测电压范围最大值0．5×10=5V。我们也可以将脉冲发生器设计成占空比可调的脉冲电路，适当提高占空比，可以降低供电电源电压幅度，降低功耗。
    原理图中采用二阶低通滤波的方法，牺牲了部分响应时间，获得纹波较小的直流分量。在保证一定的隔离传输精度的前提下，若需要适当提高电路跟踪直流模拟量的响应时间，可将图2中的滤波器设计成一阶无源RC低通滤波器，同时增大方波振荡频率与低通截止频率两者的频率比值。

3 测试结果
    直流模拟量隔离传输的电压范围是0～5v。为检验其隔离传输的精度，测试选取了50个电压监测点。测量从0．1V至5V，每隔0．1V记录输入电压及输出电压。测试值由两台安捷伦6位半数字万用表34401A获得，一台用于测量隔离前输入的直流电压，另一台用于测量隔离后输出的直流电压。测试时两台数字万用表使用的电源相互隔离，其中有一台由隔离变压器输出供电。测得50组数据中输入与输出的最大绝对误差为12mV，故该电路的传输精度优于0．5％。

4 结语
    电路基于简易的脉冲密度调制原理，使用了成熟的数字量隔离方法克服了光耦非线性特性给直流模拟信号传输带来的弊端。由纯硬件电路实现隔离传输有助于提高电路本身的抗干扰性。此电路可通过增加前级处理电路，如I／V变换，制成如4～20mA转换成1～5V模拟隔离传输电路，扩展电路应用范围。受电路性能的影响，只适合传送直流或近似直流的隔离模拟信号。本电路已成功应用于某型设备电子线路板检测装置中，监测线路板上需隔离检测的直流测试点。