一種高精度模擬信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)

朱誠(chéng) 徐騰飛 金運(yùn)昌 趙光鋒 盧兆軍

摘? 要： 介紹AVAGO公司高精度線(xiàn)性模擬光耦器件ACPL?C87B的原理，提出一種應(yīng)用于故障錄波器模擬信號(hào)采集的隔離采樣電路設(shè)計(jì)方案，采用輸入/輸出和電源三端隔離和直流偏置電壓的方法，完成高精度隔離采樣電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻匹配來(lái)適用于直流、交流、電壓和電流等多種輸入信號(hào)，解決常用方案存在的價(jià)格高、易損壞的缺點(diǎn)。通過(guò)搭建隔離采樣電路并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行精確性分析，表明該電路可適用于多種信號(hào)輸入，而且精度可以?xún)?yōu)于0.5%。

關(guān)鍵詞： 模擬信號(hào); 隔離電路設(shè)計(jì); 電阻匹配; 信號(hào)輸入; 測(cè)試實(shí)驗(yàn); 精確性分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.34?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0009?04

Design of high precision analog signal isolation circuit

ZHU Cheng1， XU Tengfei2， JIN Yunchang2， ZHAO Guangfeng3， LU Zhaojun3

（1.Shandong University， Jinan 250101， China; 2. Shandong University Electric Power Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China;

3. State Grid Shandong Electric Power Company， Jinan 250000， China）

Abstract： An isolated sampling circuit design scheme for analog signal acquisition of fault recorder is proposed by introducing the principle of ACPL?C87B， a high precision linear analog optocoupler made by AVAGO Company. The design of high?precision isolated sampling circuit is completed by means of the method of three?terminal isolation of input， output and power supply and DC bias voltage. The simple resistance matching is suitable for DC， AC， voltage， current and other input signals， which solve the high price and easy damage in the common used schemes. The isolated sampling circuit was built and the precision of the testing results were analyzed. It is shown that the circuit can be suitable for multiple signal inputs， of which the accuracy is better than 0.5%.

Keywords： analog signal; isolated circuit design; resistance matching; signal input; testing experiment; accuracy analysis

0? 引? 言

故障錄波器（也稱(chēng)為故障錄波裝置或電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)記錄裝置）是一種常年投入運(yùn)行的自動(dòng)記錄設(shè)備，用于監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，其被稱(chēng)為電力系統(tǒng)的“黑匣子”。故障錄波器是電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振蕩時(shí)能自動(dòng)記錄的一種裝置，它可以記錄因短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等大擾動(dòng)引起的系統(tǒng)電流、電壓及其導(dǎo)出量，如有功、無(wú)功及系統(tǒng)頻率的全過(guò)程變化現(xiàn)象。因此故障錄波器需要采樣變電站內(nèi)的變壓器或母線(xiàn)上的交流電壓、交流電流、直流電壓和直流電流等多種形式和多種輸入范圍的信號(hào)，這些信號(hào)輸入范圍寬、精度要求高。其中交流電壓信號(hào)和交流電流信號(hào)一般采用電壓互感器和電流互感器將大信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓小信號(hào)送到ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，而直流電壓和直流電流信號(hào)一般采用隔離模塊進(jìn)行采樣，主要有變壓器隔離（磁隔離）和光電隔離（線(xiàn)性光耦）等方案[1?3]。

目前，故障錄波器產(chǎn)品中常用的直流信號(hào)采樣方案中，變壓器隔離多采用ADI公司的AD210三端隔離放大器。AD210優(yōu)點(diǎn)是精度高、頻帶寬、體積小、輸入/輸出和電源三端隔離，缺點(diǎn)是價(jià)格較高，容易損壞。光電隔離多采用線(xiàn)性光耦HCNR201，其優(yōu)點(diǎn)是電路成熟，成本可控，缺點(diǎn)是功耗高、溫漂大、電路復(fù)雜、精度差[4?5]。

基于常見(jiàn)方案的缺點(diǎn)，本文采用AVAGO公司新推出的ACPL?C87B線(xiàn)性光耦器件，設(shè)計(jì)一種高精度的模擬信號(hào)隔離采樣電路。

1? ACPL?C87B的構(gòu)成和工作原理

ACPL?C87B是AVAGO公司推出的采用特別面向電壓感應(yīng)優(yōu)化Sigma?Delta調(diào)制技術(shù)的光隔離放大器產(chǎn)品，具有0.5% 高增益精確度，1 V/V單位增益，-35 ppm/°C

低增益漂移，0.1%誤差線(xiàn)性度，1 GΩ輸入阻抗等優(yōu)點(diǎn)[6]。ACPL?C87B由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏二極管組成，單端輸入，差分輸出。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓?電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在發(fā)光二極管的電流[IF]上，光敏二極管的電流[IPD]與[IF]成線(xiàn)性關(guān)系，設(shè)線(xiàn)性系數(shù)為K，有：

C87B輸入電壓范圍為0～2 V，差分輸出的共模電壓VOCM為1.23 V，放大系數(shù)[7?8]為1。設(shè)光耦的輸入電壓為Vi，輸出正端電壓為Vout+，輸出負(fù)端電壓為Vout-，輸出電壓為Vout，則：

綜上所述，C87B的輸入和輸出比例系數(shù)為1。

2? 隔離采樣電路設(shè)計(jì)

2.1? 總體方案設(shè)計(jì)

故障錄波器模擬隔離采樣電路需采樣的模擬信號(hào)主要有交流電壓（0～180 V）、直流電壓（-500～500 V）、高頻直流電壓（0～20 V）和直流電流（0～20 mA）等，要求設(shè)計(jì)的隔離采樣電路能滿(mǎn)足上述信號(hào)的采樣。

實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，整個(gè)電路分為輸入、輸出和電源共3個(gè)部分。

輸入部分的功能是將上述不同類(lèi)型和范圍的信號(hào)轉(zhuǎn)換為C87B額定的輸入，即0～2 V。輸出部分的功能是將C87B輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，其輸出范圍為后端ADC額定輸入范圍為-5～5 V。電源部分的功能是將電源經(jīng)過(guò)兩個(gè)互相隔離的隔離電源模塊生成隔離電源分別供輸入部分和輸出部分使用，使電源、輸入和輸出3個(gè)部分三端隔離。

為了減小零漂，提高精度，采樣電路中的電阻都選用0.1%精度，TCR=10 ppm/℃。

2.2? 輸入部分電路設(shè)計(jì)

輸入部分的功能是將不同種類(lèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為C87B的額定輸入。為了滿(mǎn)足不同類(lèi)型和輸入范圍的信號(hào)，只能通過(guò)電阻匹配的方式，即一種信號(hào)對(duì)應(yīng)一組電阻，通過(guò)不同阻值來(lái)匹配不同輸入信號(hào)[9?10]。

另外考慮C87B輸入范圍為0～2 V，直流負(fù)壓和交流信號(hào)輸入時(shí)必須要在運(yùn)放處增加1 V直流偏置電壓。具體電路如圖2、圖3所示。

在圖2中RI1的功能是將輸入的電流轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。R1，R2，RI2和RI3和U2A組成標(biāo)準(zhǔn)的差分放大電路，其中R1=R2=4.99 kΩ，RI2=RI3，根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行配置，Vref是1 V直流偏置電壓。

1 V直流偏置電壓采用了TL431芯片。TL431是TI生產(chǎn)的具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從2.5～36 V范圍內(nèi)的任何值。TL431輸出2.5 V基準(zhǔn)電壓，經(jīng)過(guò)10 kΩ和15 kΩ電阻分壓，產(chǎn)生1 V電壓，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放跟隨器后接入輸入差分運(yùn)放電路同向輸入端。

輸入運(yùn)放選擇了ADI公司的AD822。AD822是一款雙通道、精密、低功耗、FET輸入運(yùn)算放大器，可以采用5～30 V單電源或±2.5～±15 V雙電源供電，最大800 μV的失調(diào)電壓，2 μV/°C的失調(diào)電壓漂移，小于25 pA的輸入偏置電流以及低輸入電壓噪聲，源阻抗最高可達(dá)1 GΩ。

本電路中，AD822中一個(gè)通道用于生成1 V直流偏置電壓，另一個(gè)通道構(gòu)成差分放大電路。

根據(jù)典型運(yùn)放放大電路計(jì)算公式，在輸入信號(hào)為電壓信號(hào)時(shí)，RI1不焊，運(yùn)放輸出電壓（即光耦輸入電壓）為：

在輸入信號(hào)為電流信號(hào)時(shí)，[RI2]焊接15 Ω，運(yùn)放輸出電壓（即光耦輸入電壓）為：

在實(shí)際使用時(shí)，可以選擇[RI1]，[RI2]，[RI3]的阻值來(lái)適應(yīng)不同類(lèi)型輸入信號(hào)。

0～180 V交流電壓輸入時(shí)，[RI1]不焊。IN峰值輸入范圍[Vi∈-254.52 V，254.52 V]，運(yùn)放輸出電壓（光耦輸入電壓）[VIN∈0 V，2 V]。

[RI2]，[RI3]至少選用1.27 MΩ以上，采樣電路才能采樣0～180 V交流電壓，實(shí)際應(yīng)用中選擇1.5 MΩ。

以此類(lèi)推，其余輸入信號(hào)的采樣電阻如表1所示。

2.3? 輸出部分電路設(shè)計(jì)

C87B輸出為差分輸出，共模電壓為1.23 V，放大系數(shù)為1，差分輸出電壓范圍為[0，2 V]，輸出正端電壓輸出范圍為[1.23 V，2.23 V]，輸出負(fù)端電壓輸出范圍為[0.23 V，2.23 V]。因此同樣采用差分放大電路，運(yùn)放同樣選用AD822，一個(gè)通道用于生成-4.5 V直流偏置電壓，另一個(gè)通道構(gòu)成差分放大電路?？紤]到后端ADC輸入范圍為[-5 V，5 V]，為了提高精度，減小誤差，差分放大電路放大比例為4.5倍，再加上-4.5 V的直流偏置電壓。電路圖如圖4和圖5所示。

根據(jù)差分運(yùn)放電路計(jì)算公式：

因此整個(gè)隔離采樣電路中可以采樣負(fù)壓，輸出負(fù)壓。輸入為0時(shí)，輸出為0。

以0～180 V交流電壓輸入為例，計(jì)算過(guò)程如下：

其他輸入信號(hào)以此類(lèi)推，符合C87B光耦和電路設(shè)計(jì)要求。

2.4? 隔離電源電路設(shè)計(jì)

為了減少電源對(duì)輸入和輸出部分的影響，采樣電路采用電源部分和輸入部分、輸出部分三端隔離的設(shè)計(jì)思想，C87B兩側(cè)電源都是5 V供電，另外考慮零漂問(wèn)題，AD822運(yùn)放采用雙電源供電，因此需要同時(shí)輸出±5 V的隔離電源，經(jīng)研究，選用了金升陽(yáng)公司的A1205S?1WR2隔離電源模塊。A1205S?1WR2是廣州金升陽(yáng)公司生產(chǎn)的隔離電源模塊，額定輸出功率1 W，12 V輸入，隔離非穩(wěn)壓±5 V雙路輸出。隔離電壓達(dá)到1 500 V，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具體電路如圖6所示。圖6中5 V_ISO1和-5 V_ISO1是輸出部分電源，5 V_ISO2和-5 V_ISO2是輸入部分電源。

3? 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

根據(jù)模擬信號(hào)隔離采樣電路設(shè)計(jì)原理，搭建測(cè)量電路并對(duì)其精度進(jìn)行分析，接入故障錄波器，在實(shí)時(shí)監(jiān)視中監(jiān)測(cè)采樣值記錄并計(jì)算相對(duì)誤差，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7～圖12。

在圖7中，在[-20 mA，20 mA]范圍內(nèi)，最大相對(duì)誤差為4 mA輸入時(shí)的0.01%。最大誤差小于0.5%。

圖8中，在[-20 V，20 V]范圍內(nèi)，最大相對(duì)誤差為6 V輸入時(shí)的0.083%，最大誤差小于0.5%。

圖9中，在[-500 V，500 V]范圍內(nèi)，最大相對(duì)誤差為-400 V輸入時(shí)的0.32%。最大誤差小于0.5%。

交流電壓輸入時(shí)，按照《DL/T 553?2013 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)記錄裝置通用技術(shù)條件》的要求裝置應(yīng)具有25次及以下諧波分析能力，分析誤差不應(yīng)大于5%。因此交流電壓輸入時(shí)，不但要測(cè)試工頻精度，還需要測(cè)試25次及以下諧波精度。在圖10中，工頻輸入時(shí)，在[0 V，180 V]范圍內(nèi)，最大相對(duì)誤差為18 V輸入時(shí)的0.083%。最大誤差小于0.5%。諧波測(cè)試時(shí)，輸入額定Un為57.735 V/50 Hz，各次諧波含量為20%Un即11.547 V。

由圖11和圖12可知，25次諧波及以?xún)?nèi)，最大諧波誤差為25次諧波時(shí)的1.498%。50次以?xún)?nèi)最大諧波誤差為50次諧波時(shí)的5.802%。由圖7～圖12可以看出，本文設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)隔離采樣電路在各種輸入信號(hào)和范圍時(shí)，精度較高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4? 結(jié)? 論

本文基于線(xiàn)性光耦A(yù)CPL?C87B的研究提出了一種模擬信號(hào)隔離采樣電路方案。此方案將輸入/輸出和電源部分隔離，通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻匹配適應(yīng)用交直流電壓和直流電流等信號(hào)。并根據(jù)此方案搭建了試驗(yàn)電路，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種輸入信號(hào)的采樣結(jié)果進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明了本文提出的采樣方案具有很高的精度。目前本方案已經(jīng)在我司裝置上批量使用，并得到了良好的使用效果。

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