核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)BDCDE2DI型信號(hào)IO模塊研發(fā)

吳惠堅(jiān)

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

本研發(fā)的目的是解決在核電站運(yùn)行過程中，缺乏相應(yīng)地將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)設(shè)備的技術(shù)問題，提供了一種可以實(shí)現(xiàn)將輸入的相互獨(dú)立的兩路電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的兩路電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，并將輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行隔離，避免相互干擾的核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)BDCDE2DI型信號(hào)I/O模塊[1]。

圖1 輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路Fig.1 Input current signal conversion and isolation circuit

圖2 直流電壓起振電路Fig.2 DC voltage vibration circuit

1 電路描述

1.1 輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路[2]

如圖1所示，輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路包括第一接插件J1、第3電容C3、第4電容C4、第27電容C27、瞬態(tài)抑制二極管D7、第10電阻R10、第11電阻R11、第12電阻R12和隔離放大器U1。

輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路[3]的工作原理如下：

0mA～20mA電流信號(hào)通過第一接插件J1（1和4管腳，其中1接輸入電流的正端，4接輸入電流的負(fù)端；2和3管腳是懸空不用的，當(dāng)時(shí)主要是考慮將來該模塊功能擴(kuò)展，此處目前不用）進(jìn)入輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路，0mA～20mA電流信號(hào)通過第一接插件J1的1引腳輸出，流經(jīng)第10電阻R10、第12電阻R12到信號(hào)地，經(jīng)過第10電阻R10和第12電阻R12分壓后向隔離放大器U1的15引腳輸出0V～2.2V的電壓信號(hào)。隔離放大器U1接收0V～2.2V電壓信號(hào)，經(jīng)過1倍增益放大后通過引腳7輸出0V～2.2V電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)輸出給運(yùn)算放大偏置及輸出電路。C27、C3、C4作用是濾波，C27濾除輸入電流信號(hào)中的噪聲，C3和C4分別用來濾除+12V和-12V電源端的噪聲，使電源更穩(wěn)定，D7是TVS二極管，用來對(duì)后端電路進(jìn)行保護(hù)，防止輸入電流信號(hào)的過沖和超出標(biāo)稱范圍。

第一接插件J1采用菲尼克斯的ME 22、5 OT-MSTBO SET配套插件實(shí)現(xiàn)，瞬態(tài)抑制二極管D7采用SMAJ10CA-TR實(shí)現(xiàn)，隔離放大器U1采用ISO124P-DIP16實(shí)現(xiàn)。

1.2 直流電壓起振電路[3]

如圖2所示，直流電壓起振電路包括第3接插件J3、熱敏電阻RT1、第1二極管D1、電感L1、第10電容C10、第11電容C11、第12電容C12、第13電容C13、第B電容CB、第2電阻R32、第3電阻R33、第4電阻R34、第1三極管N1和第2三極管N2。

直流電壓起振電路的工作原理如下：24V的直流電壓信號(hào)通過第3接插件J3進(jìn)入直流電壓起振電路（J3的2和3管腳，其中管腳3接24V+端，管腳2接輸入電源地，管腳1是接電路板上整個(gè)處理系統(tǒng)的地，如運(yùn)放、+12V，-12V電源等的地；管腳4懸空未用，方便將來進(jìn)行功能擴(kuò)展，此處無用），經(jīng)過第2電阻R32和第3電阻R33分別給第1三極管N1和第2三極管N2的基極施加正向偏置。上電后第1三極管N1先導(dǎo)通，第1三極管N1導(dǎo)通后其集電極電壓降低至接近電源地的電壓，經(jīng)過第12電容C12耦合至第2三極管N2的基極，拉低第2三極管N2的基極電壓，使其低于導(dǎo)通電壓，阻止第2三極管N2的導(dǎo)通。然后第12電容C12通過第3電阻R3進(jìn)行正向充電，逐漸增大第2三極管N2的基極電壓，直至該電壓達(dá)到第2三極管N2的導(dǎo)通電壓后，第2三極管N2導(dǎo)通。此時(shí)第2三極管N2的集電極電壓與發(fā)射極電壓接近電源地電壓，通過第11電容C11耦合至第1三極管N1的基極，使第1三極管N1的基極電壓低于導(dǎo)通電壓，進(jìn)而使得第1三極管N1關(guān)斷。第1三極管N1和第2三極管N2以此順序依次導(dǎo)通和關(guān)斷，在直流電壓起振電路的輸出端形成近似方波電壓信號(hào)。第1二極管D1用于防止電源接反對(duì)電路的損害，起到保護(hù)作用。電感L1、第10電容C10和第B電容CB構(gòu)成LC濾波電路。熱敏電阻RT1用于對(duì)電源和電路板的保護(hù)，防止24V電源短路等故障出現(xiàn)。

第3接插件J3采用菲尼克斯的ME 22，5 OT-MSTBO SET配套插件實(shí)現(xiàn)，熱敏電阻RT1采用RXEF010實(shí)現(xiàn)，第1二極管D1采用1N4148實(shí)現(xiàn)，第1三極管N1和第2三極管N2均采用2N5551實(shí)現(xiàn)。

1.3 雙電壓穩(wěn)壓輸出電路[4]

如圖3所示，雙電壓穩(wěn)壓輸出電路包括變壓器T1、第A電容CA、第1電容C1、第2電容C2、第6電容C6、第7電容C7、第14電容C14、第15電容C15、第18電容C18、第19電容C19、第2二極管D2、第3二極管D3、第4二極管D4、第5二極管D5、第5三端穩(wěn)壓電路V5、第6三端穩(wěn)壓電路V6、第7三端穩(wěn)壓電路V7和第8三端穩(wěn)壓電路V8。

雙電壓穩(wěn)壓輸出電路的工作原理如下：變壓器T1接收直流電壓起振電路輸出的近似方波電壓信號(hào)，通過變壓器T1的兩組副邊繞組輸出兩路相互隔離的交流電壓，每組交流電壓4個(gè)三端穩(wěn)壓電路進(jìn)行線性調(diào)整后，輸出兩組相互隔離的±12V電源，兩組電源分別為電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路和運(yùn)算放大偏置及輸出電路供電[3]。

圖3 雙電壓穩(wěn)壓輸出電路Fig.3 Dual voltage voltage stabilizer output circuit

圖4 運(yùn)算放大偏置及輸出電路Fig.4 Operational amplification bias and output circuits

變壓器T1采用三端輸入，耦合兩路輸出的變壓器實(shí)現(xiàn)，第5三端穩(wěn)壓電路V5和第7三端穩(wěn)壓電路V7均采用LM79L12實(shí)現(xiàn)，第6三端穩(wěn)壓電路V6和第8三端穩(wěn)壓電路V8均采用LM78L12實(shí)現(xiàn)。C14、C15、C18、C19所用電容為10UF電容，容值較大，電解電容容值范圍寬，10UF容值較多，其它種類電容容值達(dá)到10UF的較少或體積較大，不方便使用。

1.4 運(yùn)算放大偏置及輸出電路[1]

如圖4所示，U3B的7引腳與R5應(yīng)連通（電路上確實(shí)是連通的）；電位器加引腳，P1左端為1引腳，右端為3引腳，滑動(dòng)端為2引腳，P2上端為1引腳，下端為3引腳，滑動(dòng)端為2引腳，運(yùn)算放大偏置及輸出電路包括第5電阻R5、第6電阻R6、第7電阻R7、第8電阻R8、第9電阻R9、第25電容C25、第6電容C6、第1穩(wěn)壓源V1、第2穩(wěn)壓源V2、第1電位器P1、第2電位器P2、第1運(yùn)算放大器U3A和第2運(yùn)算放大器U3B[4]。

運(yùn)算放大偏置及輸出電路的工作原理如下：利用TL431和電位器P2構(gòu)成一個(gè)精密的電壓調(diào)節(jié)電路。通過調(diào)節(jié)電位器使得放大器電路的輸入端（U3A的3腳）得到穩(wěn)定的0V電壓，輸出端（U3B的7腳）也同樣輸出一個(gè)穩(wěn)定的0V電壓，同時(shí)可調(diào)節(jié)電位器P2得到運(yùn)放工作狀態(tài)下的穩(wěn)定偏置和失調(diào)電壓。將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路中隔離放大器U1輸出的電壓信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器U3B的正向輸入端，調(diào)節(jié)放大增益電位器P1即可得到對(duì)應(yīng)于輸入0mA～20mA電流信號(hào)的輸出電壓值，并得到達(dá)到良好的線性度。隔離放大器ISO124變送來的0V～2.2V電壓，進(jìn)行放大成0V～5V電壓，電壓增益約為2.26。

第1穩(wěn)壓源V1和第2穩(wěn)壓源V2均采用TL431A實(shí)現(xiàn)，第1運(yùn)算放大器U3A和第2運(yùn)算放大器U3B均采用AD827JN實(shí)現(xiàn)。

表1 通道1性能測(cè)試表Table 1 Channel 1 performance test table

表2 通道2性能測(cè)試表Table 2 Channel 2 performance test table

2 調(diào)試方法及結(jié)果

2.1 調(diào)試方法步驟

直流穩(wěn)壓電源用來給裝置提供+24VDC工作電壓。信號(hào)源調(diào)節(jié)至電流輸出模式，輸出正負(fù)端分別接至BDCDE2DI型信號(hào)I/O模塊正負(fù)輸入端，然后在輸出端用萬用表進(jìn)行輸出電壓測(cè)量。兩路輸入通道1IN和2IN相互獨(dú)立，可分開來進(jìn)行測(cè)試。因此，僅用1個(gè)信號(hào)源和1塊數(shù)字萬用表即可進(jìn)行一路測(cè)試，測(cè)試完一路通道后再接至另一路進(jìn)行測(cè)量。將板卡連接到電源的輸出上，通電。

1）零點(diǎn)調(diào)整

①設(shè)定通道1的輸入電流為0mA，調(diào)節(jié)P4電位器，直到通道1的輸出＜10mVDC。

②設(shè)定通道2的輸入電流為0mA，調(diào)節(jié)P2電位器，直到通道2的輸出＜10mVDC。

2）滿量程調(diào)整

①設(shè)定通道1的輸入電流為20mA，調(diào)節(jié)P3電位器，直到通道1的輸出在5VDC±0.2%范圍內(nèi)。

②設(shè)定通道2的輸入電流為20mA，調(diào)節(jié)P1電位器，直到通道2的輸出在5VDC±0.2%范圍內(nèi)。

2.2 性能測(cè)試及結(jié)果

2.2.1 通道1性能測(cè)試

按照調(diào)試電路圖接好電源，將信號(hào)源正負(fù)輸出端分別接至通道1的正負(fù)輸入端，調(diào)節(jié)輸入電流信號(hào)的大小，用數(shù)字萬用表測(cè)試通道1輸出端的電壓。

2.2.2 通道2性能測(cè)試

按照調(diào)試電路圖接好電源，將信號(hào)源正負(fù)輸出端分別接至通道2的正負(fù)輸入端，調(diào)節(jié)輸入電流信號(hào)的大小，用數(shù)字萬用表測(cè)試通道2輸出端的電壓。

3 結(jié)論

BDCDE2DI型信號(hào)I/O模塊的工作原理和調(diào)試過程簡(jiǎn)單、方便，工作穩(wěn)定，不但提高了可靠性，而且節(jié)省了成本，為輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和核電站運(yùn)行的穩(wěn)定安全提供了一定的保障。