多路高线性电流、电压信号隔离采集板的设计

摘要：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。
关键词：模拟隔离；线性光耦；电流、电压检测

0 引言
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。

1 线性模拟光耦HCNR201结构及工作原理

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：
IPD1=K1IF (1)
IPD2=K2IF (2)
K=IPD1／IPD1 (3)
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50μA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1±0．05。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。

2 硬件电路的设计
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。
根据运算放大器“虚短”“虚断”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，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。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。

3 实验调试和结果分析
3．1 电路调试时遇到的问题
对此多组电路组成的多路隔离采集板进行加电，测量各路的输出电压，则各路输出均为+5V，经多种排除干扰方法试验，无效。仅对其中一路加电，则输出正常。考虑多路运放共用一组电源，其余相互独立，互不影响，因而考虑可能是输出电源线太长，或电源引出的干扰，
因此在布线时使往返两条电源线尽量靠近而且平行地布置，在靠近各个运放的电源输入端加-0．1μF的滤波电容，测量各路隔离输出正常。
3．2 实验结果分析
图2电压隔离采集电路中电阻R1、R2、R3分别取值2kΩ、12kΩ、2kΩ，R5、R7均取75kΩ，将K=1及上述电阻值代入式(6)得输出电压的理论值为UA1=0．125UV+，将电路加电，变换不同的输入电压，实测其中输出电压并计算理论电压，结果见表1。