高壓隔離采集電路的設計范文

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《天津職業(yè)技術師范大學學報》2014年第二期

1主要參數(shù)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(fā)熱問題而影響電路的穩(wěn)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(lián)，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(fā)。電阻不穩(wěn)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(shù)，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(lián)，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(xiàn)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(jīng)VIN+、VIN-輸入，經(jīng)電壓傳感器TBV5/25輸出相應的電流，經(jīng)測量電阻R12~R16，將電流轉換為對應的電壓，再經(jīng)電壓跟隨器進行放大。調(diào)節(jié)R6，即可獲得所需的比例系數(shù)。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(jīng)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(diào)零與補償目前的芯片制作技術，為使集成度高、節(jié)約成本，對于雙運放和四運放，內(nèi)部調(diào)零已經(jīng)取消。雖然運放內(nèi)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(tǒng)。但是，對于精度要求比較高的系統(tǒng)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(diào)電流及失調(diào)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(diào)零電路。R1、R2、R3、R4、R8、D1、D2組成調(diào)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(wǎng)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(shù)會下降。為了維持較高的放大倍數(shù)，可以在反饋電阻上并聯(lián)補償電容，2個RC網(wǎng)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(xiàn)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(chǎn)生附加相移。此附加相移累加滿足振蕩條件就會產(chǎn)生寄生振蕩，使電路不穩(wěn)定。解決方法：在運算放大器的輸出端串聯(lián)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(xiàn)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(diào)試時，首先調(diào)試調(diào)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(lián)調(diào)試。電路中加入調(diào)零電路，因此需要進行零漂測試，意在說明調(diào)零電路的重要性。在本設計電路中，若不加入調(diào)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(shù)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(diào)零電路。本設計中加入調(diào)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(jīng)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(huán)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(yè)技術師范大學汽車與交通學院