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高壓隔離采集電路的設計范文

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高壓隔離采集電路的設計

《天津職業技術師范大學學報》2014年第二期

1主要參數的設計

1.1輸入電阻電壓傳感器的輸入信號為電壓信號,需要用電阻轉換成電流信號。TBV5/25A的測試電流范圍為7mA,則有:在使用功率電阻時,因發熱問題而影響電路的穩定性。因此,盡量留有余量,可選用200kΩ/3W(1±1%)的功率電阻,2個并聯,得到100kΩ的電阻。需要注意的是,電阻的選擇也必須從減小誤差出發。電阻不穩定是造成分壓器誤差的一個重要原因,它的大小決定于所選電阻的溫度系數,當工作時間較長時,必須考慮溫度問題。

1.2測量電阻電壓傳感器的輸出是電流信號,需要用電阻轉換成電壓信號。在傳感器的技術手冊上,給出的測量電阻最小為100Ω,最大為350Ω。本設計中將5個510Ω/0.5W(1±1%)的電阻并聯,得到大約100Ω的測量電阻。若最大測量電壓≤500V,則輸出電流最大為25mA。P=I2R=252mA×100Ω=0.625W<2.5W(5)

2電路的實現及工作過程

2.1電源電路汽車中常用的電瓶電壓為12V,電壓傳感器與運算放大器供電電源需要+15V和-15V,且不需要提供大功率。在本設計中,采用DC-DC升壓,由變壓器次級的兩組繞組獲得+15V和-15V,電壓傳感器所需電流較小,此電源可保證電路正常工作,電源電路如圖1所示。

2.2高壓采集電路圖2所示為高壓采集信號處理電路。測量電壓經VIN+、VIN-輸入,經電壓傳感器TBV5/25輸出相應的電流,經測量電阻R12~R16,將電流轉換為對應的電壓,再經電壓跟隨器進行放大。調節R6,即可獲得所需的比例系數。在測量直流時,傳感器輸入與最終輸出電壓的比例關系為:Af=(R5+R6)/R8(6)(1)隔離放大電路為防止后級放大電路對測量電阻的影響,本設計加入了一級電壓跟隨電路。該電壓跟隨器的輸入阻抗高,輸出阻抗低。當輸入阻抗很高時,就相當于對前級電路開路,所以不會對電壓傳感器的輸出電流分流,保證了測量電路的精度,同時,使前、后級電路之間互不影響。電壓跟隨器后的放大電路對經I/V轉換后的電壓進行放大,得到適合微處理器處理的電壓信號。(2)運放的調零與補償目前的芯片制作技術,為使集成度高、節約成本,對于雙運放和四運放,內部調零已經取消。雖然運放內部的三極管電路采用差分輸入、密勒電容等做了一定的補償措施,可以暫時看成是一個單極點系統。但是,對于精度要求比較高的系統還是遠遠不夠的。三極管的偏置電流導致了運算放大器的失調電流及失調電壓的存在,即使沒有輸入信號,因為漂移也會有一定的輸出量。當采集到的電壓信號為交流信號時,就會對測量的精度造成很大的影響。所以本設計電路也加入了調零電路。R1、R2、R3、R4、R8、D1、D2組成調零電路。對于引入負反饋的運算放大器,輸入端一般存在幾皮法的寄生電容,包括運放的輸入電容以及布線分布電容,它會與反饋電阻構成一個滯后網絡,引起輸出電壓相位滯后,使得當輸入信號的頻率很高時,引起運放的高頻響應變差。上限頻率約為:Wh=1(/2πRC)。其中:R為反饋電阻;C為運放輸入電容。從式中可知,若R的取值太大,上限頻率就會嚴重下降,R與C同時引入,相位滯后可能會引起寄生振蕩。若反饋電阻取值小,雖然上限頻率會上升,但是放大倍數會下降。為了維持較高的放大倍數,可以在反饋電阻上并聯補償電容,2個RC網絡構成了相位補償,使相位超前量與滯后量得到相互補償。本設計中,C1即實現此功能。運算放大器存在輸出電容,輸出電容與運算放大器的輸出電阻即組成RC電路,產生附加相移。此附加相移累加滿足振蕩條件就會產生寄生振蕩,使電路不穩定。解決方法:在運算放大器的輸出端串聯一個幾百歐姆的電阻,與負載電容相隔離。本設計中,R10即實現此功能。

3實際電路及零漂測試

使用AltiumDesigner軟件,繪制電路圖并制作PCB板。對傳感器這樣的敏感器件,在線路布局時,要注意強電與弱電的分離以及抗干擾處理,布局合理且傳感器信號處理部分要進行敷銅。本設計使用的實際電路如圖3所示。在進行電路調試時,首先調試調零電路,保證在無輸入時,輸出為0V,不會因漂移而引起輸出信號的失真,然后再對整個電路進行級聯調試。電路中加入調零電路,因此需要進行零漂測試,意在說明調零電路的重要性。在本設計電路中,若不加入調零電路,用示波器探測輸出波形,如圖4所示。由圖4可以看到,當輸入電壓為0V時,因電路中各分布參數等的影響,輸出電壓為19.375mV。在精度要求不高的場合,可以不加調零電路。本設計中加入調零電路,精度幾乎可以達到100%。

4結束語

目前,高壓采集電路已經應用于電動汽車試驗平臺、UPS實驗平臺等需要測試中壓、高壓的場合。為增加設計的實用性,設計時已綜合考慮了其應用范圍和使用環境的要求,可以直接用于測量交流中壓、高壓的場合。

作者:王新艷徐征王旭龍江絳李小鵬單位:天津職業技術師范大學汽車與交通學院

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