一種模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離隔離傳輸方法

朱藝鋒

一種模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離隔離傳輸方法

朱藝鋒

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，有時(shí)需要將傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)傳到控制中心進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后再送到控制器進(jìn)行處理。提出了一種適用于高壓環(huán)境下遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號(hào)的方法：利用AD650構(gòu)成壓頻和頻壓轉(zhuǎn)換電路，先將模擬信號(hào)經(jīng)壓頻電路線性變成一定頻率的方波脈沖列，并經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的控制中心。在控制中心再將脈沖列送入頻壓轉(zhuǎn)換電路還原成電壓信號(hào)，最終送入AD芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入控制器進(jìn)行處理。詳細(xì)設(shè)計(jì)了電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案可以有效地遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號(hào)，既無(wú)衰減，又有良好的抗干擾能力。傳輸過(guò)程中的延時(shí)可控制在20us以下。

模擬信號(hào)；隔離傳輸；壓頻轉(zhuǎn)換；頻壓轉(zhuǎn)換

0 引言

在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，快速準(zhǔn)確地捕捉現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)是進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)。測(cè)控系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象往往有一定距離,電磁干擾不可避免地要混入連接導(dǎo)線[1-2]。特別在像磁懸浮列車那樣控制對(duì)象和控制系統(tǒng)遠(yuǎn)距離分離的場(chǎng)合，需要將傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后再送到控制器進(jìn)行處理。為了消除這些干擾，除了合理地處理接地問(wèn)題外[3]，還必須使輸入電路與輸出電路彼此隔離，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸[4]。模擬信號(hào)隔離傳輸?shù)姆椒ǚ譃橹苯痈綦x法和間接隔離法，直接隔離法分為變壓器隔離法和光電隔離法，間接隔離法又有隔離放大器法和調(diào)制解調(diào)法。其中直接隔離法原理簡(jiǎn)單但是傳輸距離短，調(diào)制解調(diào)法傳輸距離長(zhǎng)，但是傳輸精度低。相比較而言，采用壓頻轉(zhuǎn)換器，以頻率形式傳輸模擬信號(hào)是遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號(hào)而又不損失精度的最好解決方法[5]。但文獻(xiàn)[1-6]都沒(méi)有對(duì)模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離隔離傳輸進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，僅限于理論分析，對(duì)于隔離傳輸?shù)木唧w性能沒(méi)有論述。本文利用AD650構(gòu)成壓頻和頻壓轉(zhuǎn)換電路，先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成 ±5V，后經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換線性變成一定頻率的方波脈沖列，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的控制中心，接著再將脈沖列送入頻壓轉(zhuǎn)換電路還原成電壓信號(hào)，最終送入ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入控制器進(jìn)行處理。通過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，深入分析該系統(tǒng)的工作性能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

如圖1所示：

圖1 模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸系統(tǒng)框圖

功率變流器的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸系統(tǒng)主要有四部分組成，即電壓采樣、壓頻轉(zhuǎn)換(VFC)、光纖傳輸和頻壓轉(zhuǎn)換(FVC)。電壓采樣部分完成從功率變換器如PWM整流器上取出整流器輸入側(cè)線電壓信號(hào)，經(jīng)電流傳感器LEM變換和電阻采樣后得到±5V的SPWM信號(hào)波，而后作為輸入信號(hào)送到壓頻轉(zhuǎn)換部分。在壓頻轉(zhuǎn)換中，將輸入電壓信號(hào)線性變換成一定頻率（幾十到幾百kHz）的方波脈沖列，而后傳到光纖傳輸部分。在光纖傳輸部分，電脈沖信號(hào)變成光信號(hào)進(jìn)行高速遠(yuǎn)距離傳輸，送到位于控制中心的頻壓轉(zhuǎn)換部分。頻壓轉(zhuǎn)換部分將脈沖列還原成電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)會(huì)有微小程度的電壓脈動(dòng)，可以加裝RC低通濾波器予以改善。濾波器輸出的模擬信號(hào)最終送入ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并送入控制器進(jìn)行處理。高頻的脈沖列相當(dāng)于高頻率的數(shù)字信號(hào)，和光纖傳輸一樣，都有高抗干擾、高抗衰減性能。大功率環(huán)境下，對(duì)電壓采樣和壓頻轉(zhuǎn)換部分，以及開(kāi)關(guān)電源部分，用屏蔽罩進(jìn)行屏蔽。壓頻轉(zhuǎn)換原理可描述如下：輸入電壓信號(hào)經(jīng)輸入電阻變?yōu)殡娏餍盘?hào)，經(jīng)積分器對(duì)積分電容充電，同時(shí)電容電壓值和內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，一旦到達(dá)閥值，內(nèi)部開(kāi)關(guān)斷開(kāi)積分回路，變?yōu)閮?nèi)部恒流源對(duì)電容的反向積分，仍與閥值電壓比較，直到基準(zhǔn)電壓大小時(shí)再次重復(fù)上述過(guò)程，與此同時(shí)輸出脈沖列，從而實(shí)現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換。電壓越大，脈沖列頻率越高。頻壓轉(zhuǎn)換的原理與此類似。

2 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算及分析

目前，壓頻轉(zhuǎn)換核心芯片很多。一般從功能、頻率范圍、轉(zhuǎn)換線性度方面進(jìn)行選擇，本設(shè)計(jì)要求工作頻率高、線性度好，輸入電壓范圍寬，據(jù)此選用美國(guó)AD公司的高性能壓頻轉(zhuǎn)換器件AD650。AD650電路既能用作電壓頻率轉(zhuǎn)換器,又可用作頻率電壓轉(zhuǎn)換器。模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸原理接線圖如圖2所示：

圖2模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸原理接線圖

2.1 壓頻轉(zhuǎn)換電路參數(shù)選擇

VFC電路主要有3個(gè)參數(shù)需要選擇，即輸入電阻Rin、積分電容Cin、定時(shí)電容Co。輸入電阻Rin會(huì)限制輸入電壓范圍，一般輸入電流不超過(guò)1mA，有公式（1）：

輸入電阻Rin和積分電容Cin決定了滿度頻率。一般說(shuō)來(lái)，Co越高，輸入電流越小(Rin越大)，線性度越好，滿刻度頻率也越低如圖3所示：

圖3 滿刻度頻率和Rin及Co的對(duì)應(yīng)關(guān)系

可以根據(jù)圖3來(lái)選擇滿刻度頻率所要求的Rin和Co[6]。Rin確定之后，并給定期望的滿刻度頻率，則定時(shí)電容Co的大小也就確定了。積分電容Cin可以通過(guò)下面方程來(lái)選擇，如公式（2）：

2.2頻壓轉(zhuǎn)換電路參數(shù)選擇

FVC電路主要有3個(gè)參數(shù)需要選擇，即積分電阻Rint、積分電容Cint、定時(shí)電容Cos。選擇參數(shù)之前，應(yīng)先確定最大及最小輸入頻率fmax、fmin，最大輸出電壓Vomax，要求的響應(yīng)時(shí)間tres及允許的電壓脈動(dòng)Vrip。而后計(jì)算如下。

定時(shí)電容Cos可由下式得到公式（3）：

積分電阻Rint可由下式得到（4）：

積分電容Cint可由下式得到公式（5）：

式中N=6，如果輸出電壓脈動(dòng)太大，可以減小。輸出電壓的脈動(dòng)Vrip可由下式得到公式（6）：

FVC電路的輸出電壓可由下式得到公式（7）：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)接入直流母線電壓為200V、開(kāi)關(guān)頻率為1.25kHz的三相兩電平PWM整流器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電路如圖1所示。主要測(cè)試整流器A相和B相的輸入線電壓波形。測(cè)試波形如圖4、圖5、圖6所示：

圖4 整流器開(kāi)關(guān)全關(guān)斷時(shí)的波形

從圖4可以看出，波形均為正弦波，隔離傳輸系統(tǒng)輸出波形3對(duì)真實(shí)波形2的跟蹤效果很好。輸出電壓有7.6V的直流偏置，

圖5整流器工作時(shí)整體SPWM波形

圖6整流器工作時(shí)SPWM局部放大波形

這在軟件中很容易處理，不會(huì)影響控制策略的實(shí)施。圖5和圖6中，波形2是PWM整流器輸入側(cè)線電壓的真實(shí)波形，4為霍爾電流傳感器（LEM）輸出的波形，3為經(jīng)模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)輸出的波形。

從圖5、圖6可以看出，在輸入為SPWM波形情況下，隔離系統(tǒng)的跟蹤效果也很好。有一個(gè)不太理想的地方在于，2.5kHz頻率下LEM輸出的波形已非標(biāo)準(zhǔn)方波，而是以一個(gè)斜坡信號(hào)與真實(shí)SPWM波的階躍信號(hào)相對(duì)應(yīng)。然后,隔離傳輸系統(tǒng)的輸出信號(hào)跟蹤這些斜坡信號(hào)，使得波形有微小失真。這是由電容積分效應(yīng)造成的。SPWM波經(jīng)隔離系統(tǒng)之后有大約20μs的延時(shí)，這個(gè)延時(shí)可以通過(guò)軟件中的適當(dāng)算法予以補(bǔ)償或是其他處理得到解決，最終不會(huì)影響控制效果。

4 總結(jié)

通過(guò)本文的分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1）輸出信號(hào)的延時(shí)主要是由FVC積分電容Cint的積分過(guò)程延時(shí)和RC濾波延時(shí)引起的。Cint越小，引起的延時(shí)越小，但輸出電壓脈動(dòng)會(huì)增加。低通濾波器參數(shù)RC乘積越小，引起的延時(shí)越小，但濾波效果會(huì)下降。

2）采用基于壓頻轉(zhuǎn)換、光纖傳輸和頻壓轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行功率變換器模擬信號(hào)的隔離傳輸，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，信號(hào)在傳輸過(guò)程中有低于20μs的延時(shí)，失真度小，線性度高，可靠性好，可用于電壓不超過(guò)±5V、頻率不超過(guò)5kHz的模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離隔離傳輸控制系統(tǒng)。

[1] Kuriyama, K; Suzuki, Y; Small poltroon transport in Li7MnN4 containing isolated MnN4 tetrahedral [J], Solid State Communications, v148, n11-12, p 508-510, December 2008.

[2] Yan, Yan; Ma, Wen-Ge, Research on the optimal assignment of traffic signal for isolated intersection in intelligence transportation system [C], 3rd International Conference on Innovative Computing Information and Control, ICICIC'08, June 18, 2008 - June 20, 2008.

[3] 王波，基于光纖傳輸?shù)母唠妷簻y(cè)量裝置[J]， 電子元器件應(yīng)用 2007年10，P48-51.

[4] 白吳文秀，一種利用V/F和F/V轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離隔離傳輸?shù)膶?shí)用電路[J]，長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)A(自然科學(xué)版) ，2006年04期，P110-111.

[5] AD650 analog device handbook.

[6] 牛天蘭等，V/F,F/V轉(zhuǎn)換器AD650及其應(yīng)用[J]，大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào), 2003年 02期，P91-93.

One Method to Isolated Transport Analog Signals for Long-distance

Zhu Yifeng
（School of Electrical Engineering and Automation, He’nan Polytechnic University,JiaoZuo454003,China）

In the industrial field, sometimes need to transport analog signal converted by sensors to control center for AD conversion and then send to the controller for processing. This paper presents an approach for transmission analog signals under the circumstance of high voltage: using AD650 to construct voltage / frequency circuit and frequency/voltage conversion circuit, the voltage / frequency circuit first linearly converts the given analog signals to a square-wave pulse train with some frequency, and the optical fiber transmits it to distant control center. In the control center the pulse trains into a frequency to voltage conversion circuit are restored to voltage signals, and finally into the AD chip to be converted to digital signals, which are put into the controller for processing. The circuit structure and parameters were designed in detail and some experiments were carried on. The experimental results show that the scheme can effectively transport an analog signal without attenuation for long distance, with good anti-interference ability as well. In the process of transmission delay can be controlled below 20us.

Analog Signals;Isolated Transportation;VFC;FVC

TN911

A

1007-757X(2014)01-0005-03

2013.10.20)

國(guó)家自然科學(xué)基金（51077125）

朱藝鋒（1979—），男（漢族），河南南陽(yáng)人，河南理工大學(xué)電氣學(xué)院，博士，講師，主要研究方向：大功率變流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及高性能控制，焦作，454003