核電站輻射監測系統BDCDE2DI型信號IO模塊研發

吳惠堅

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

本研發的目的是解決在核電站運行過程中，缺乏相應地將電流信號轉換為電壓信號設備的技術問題，提供了一種可以實現將輸入的相互獨立的兩路電流信號轉換成對應的兩路電壓信號進行輸出，并將輸入和輸出信號進行隔離，避免相互干擾的核電站輻射監測系統BDCDE2DI型信號I/O模塊[1]。

圖1 輸入電流信號轉換及隔離電路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 輸入電流信號轉換及隔離電路[2]

如圖1所示，輸入電流信號轉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。

輸入電流信號轉換及隔離電路[3]的工作原理如下：

0mA～20mA電流信號通過第一接插件J1（1和4管腳，其中1接輸入電流的正端，4接輸入電流的負端；2和3管腳是懸空不用的，當時主要是考慮將來該模塊功能擴展，此處目前不用）進入輸入電流信號轉換及隔離電路，0mA～20mA電流信號通過第一接插件J1的1引腳輸出，流經第10電阻R10、第12電阻R12到信號地，經過第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。隔離放大器U1接收0V～2.2V電壓信號，經過1倍增益放大后通過引腳7輸出0V～2.2V電壓信號，該電壓信號輸出給運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，使電源更穩定，D7是TVS二極管，用來對后端電路進行保護，防止輸入電流信號的過沖和超出標稱范圍。

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

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的直流電壓信號通過第3接插件J3進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是接電路板上整個處理系統的地，如運放、+12V，-12V電源等的地；管腳4懸空未用，方便將來進行功能擴展，此處無用），經過第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先導通，第1三極管N1導通后其集電極電壓降低至接近電源地的電壓，經過第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，使其低于導通電壓，阻止第2三極管N2的導通。然后第12電容C12通過第3電阻R3進行正向充電，逐漸增大第2三極管N2的基極電壓，直至該電壓達到第2三極管N2的導通電壓后，第2三極管N2導通。此時第2三極管N2的集電極電壓與發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的基極電壓低于導通電壓，進而使得第1三極管N1關斷。第1三極管N1和第2三極管N2以此順序依次導通和關斷，在直流電壓起振電路的輸出端形成近似方波電壓信號。第1二極管D1用于防止電源接反對電路的損害，起到保護作用。電感L1、第10電容C10和第B電容CB構成LC濾波電路。熱敏電阻RT1用于對電源和電路板的保護，防止24V電源短路等故障出現。

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

1.3 雙電壓穩壓輸出電路[4]

如圖3所示，雙電壓穩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5三端穩壓電路V5、第6三端穩壓電路V6、第7三端穩壓電路V7和第8三端穩壓電路V8。

雙電壓穩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，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個三端穩壓電路進行線性調整后，輸出兩組相互隔離的±12V電源，兩組電源分別為電流信號轉換及隔離電路和運算放大偏置及輸出電路供電[3]。

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

圖4 運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現，第5三端穩壓電路V5和第7三端穩壓電路V7均采用LM79L12實現，第6三端穩壓電路V6和第8三端穩壓電路V8均采用LM78L12實現。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到10UF的較少或體積較大，不方便使用。

1.4 運算放大偏置及輸出電路[1]

如圖4所示，U3B的7引腳與R5應連通（電路上確實是連通的）；電位器加引腳，P1左端為1引腳，右端為3引腳，滑動端為2引腳，P2上端為1引腳，下端為3引腳，滑動端為2引腳，運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穩壓源V1、第2穩壓源V2、第1電位器P1、第2電位器P2、第1運算放大器U3A和第2運算放大器U3B[4]。

運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構成一個精密的電壓調節電路。通過調節電位器使得放大器電路的輸入端（U3A的3腳）得到穩定的0V電壓，輸出端（U3B的7腳）也同樣輸出一個穩定的0V電壓，同時可調節電位器P2得到運放工作狀態下的穩定偏置和失調電壓。將輸入電流信號轉換及隔離電路中隔離放大器U1輸出的電壓信號輸入到運算放大器U3B的正向輸入端，調節放大增益電位器P1即可得到對應于輸入0mA～20mA電流信號的輸出電壓值，并得到達到良好的線性度。隔離放大器ISO124變送來的0V～2.2V電壓，進行放大成0V～5V電壓，電壓增益約為2.26。

第1穩壓源V1和第2穩壓源V2均采用TL431A實現，第1運算放大器U3A和第2運算放大器U3B均采用AD827JN實現。

表1 通道1性能測試表Table 1 Channel 1 performance test table

表2 通道2性能測試表Table 2 Channel 2 performance test table

2 調試方法及結果

2.1 調試方法步驟

直流穩壓電源用來給裝置提供+24VDC工作電壓。信號源調節至電流輸出模式，輸出正負端分別接至BDCDE2DI型信號I/O模塊正負輸入端，然后在輸出端用萬用表進行輸出電壓測量。兩路輸入通道1IN和2IN相互獨立，可分開來進行測試。因此，僅用1個信號源和1塊數字萬用表即可進行一路測試，測試完一路通道后再接至另一路進行測量。將板卡連接到電源的輸出上，通電。

1）零點調整

①設定通道1的輸入電流為0mA，調節P4電位器，直到通道1的輸出＜10mVDC。

②設定通道2的輸入電流為0mA，調節P2電位器，直到通道2的輸出＜10mVDC。

2）滿量程調整

①設定通道1的輸入電流為20mA，調節P3電位器，直到通道1的輸出在5VDC±0.2%范圍內。

②設定通道2的輸入電流為20mA，調節P1電位器，直到通道2的輸出在5VDC±0.2%范圍內。

2.2 性能測試及結果

2.2.1 通道1性能測試

按照調試電路圖接好電源，將信號源正負輸出端分別接至通道1的正負輸入端，調節輸入電流信號的大小，用數字萬用表測試通道1輸出端的電壓。

2.2.2 通道2性能測試

按照調試電路圖接好電源，將信號源正負輸出端分別接至通道2的正負輸入端，調節輸入電流信號的大小，用數字萬用表測試通道2輸出端的電壓。

3 結論

BDCDE2DI型信號I/O模塊的工作原理和調試過程簡單、方便，工作穩定，不但提高了可靠性，而且節省了成本，為輻射監測系統的正常運行和核電站運行的穩定安全提供了一定的保障。