一種高精度模擬信號隔離電路設計

朱誠 徐騰飛 金運昌 趙光鋒 盧兆軍

摘? 要： 介紹AVAGO公司高精度線性模擬光耦器件ACPL?C87B的原理，提出一種應用于故障錄波器模擬信號采集的隔離采樣電路設計方案，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計，通過簡單的電阻匹配來適用于直流、交流、電壓和電流等多種輸入信號，解決常用方案存在的價格高、易損壞的缺點。通過搭建隔離采樣電路并對測試結果進行精確性分析，表明該電路可適用于多種信號輸入，而且精度可以優于0.5%。

關鍵詞： 模擬信號; 隔離電路設計; 電阻匹配; 信號輸入; 測試實驗; 精確性分析

中圖分類號： TN911.34?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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（也稱為故障錄波裝置或電力系統動態記錄裝置）是一種常年投入運行的自動記錄設備，用于監測電力系統的運行狀況，其被稱為電力系統的“黑匣子”。故障錄波器是電力系統發生故障及振蕩時能自動記錄的一種裝置，它可以記錄因短路故障、系統振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等大擾動引起的系統電流、電壓及其導出量，如有功、無功及系統頻率的全過程變化現象。因此故障錄波器需要采樣變電站內的變壓器或母線上的交流電壓、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，這些信號輸入范圍寬、精度要求高。其中交流電壓信號和交流電流信號一般采用電壓互感器和電流互感器將大信號轉換為電壓小信號送到ADC中進行轉換和處理，而直流電壓和直流電流信號一般采用隔離模塊進行采樣，主要有變壓器隔離（磁隔離）和光電隔離（線性光耦）等方案[1?3]。

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

基于常見方案的缺點，本文采用AVAGO公司新推出的ACPL?C87B線性光耦器件，設計一種高精度的模擬信號隔離采樣電路。

1? ACPL?C87B的構成和工作原理

ACPL?C87B是AVAGO公司推出的采用特別面向電壓感應優化Sigma?Delta調制技術的光隔離放大器產品，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%誤差線性度，1 GΩ輸入阻抗等優點[6]。ACPL?C87B由一個發光二極管和一個光敏二極管組成，單端輸入，差分輸出。輸入信號經過電壓?電流轉化，電壓的變化體現在發光二極管的電流[IF]上，光敏二極管的電流[IPD]與[IF]成線性關系，設線性系數為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[7?8]為1。設光耦的輸入電壓為Vi，輸出正端電壓為Vout+，輸出負端電壓為Vout-，輸出電壓為Vout，則：

綜上所述，C87B的輸入和輸出比例系數為1。

2? 隔離采樣電路設計

2.1? 總體方案設計

故障錄波器模擬隔離采樣電路需采樣的模擬信號主要有交流電壓（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，要求設計的隔離采樣電路能滿足上述信號的采樣。

實現方案如圖1所示，整個電路分為輸入、輸出和電源共3個部分。

輸入部分的功能是將上述不同類型和范圍的信號轉換為C87B額定的輸入，即0～2 V。輸出部分的功能是將C87B輸出的差分信號轉換為單端信號，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過兩個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? 輸入部分電路設計

輸入部分的功能是將不同種類的信號轉換為C87B的額定輸入。為了滿足不同類型和輸入范圍的信號，只能通過電阻匹配的方式，即一種信號對應一組電阻，通過不同阻值來匹配不同輸入信號[9?10]。

另外考慮C87B輸入范圍為0～2 V，直流負壓和交流信號輸入時必須要在運放處增加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為電壓信號。R1，R2，RI2和RI3和U2A組成標準的差分放大電路，其中R1=R2=4.99 kΩ，RI2=RI3，根據輸入信號進行配置，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生產的具有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從2.5～36 V范圍內的任何值。TL431輸出2.5 V基準電壓，經過10 kΩ和15 kΩ電阻分壓，產生1 V電壓，再經過運放跟隨器后接入輸入差分運放電路同向輸入端。

輸入運放選擇了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的失調電壓，2 μV/°C的失調電壓漂移，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1 GΩ。

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

根據典型運放放大電路計算公式，在輸入信號為電壓信號時，RI1不焊，運放輸出電壓（即光耦輸入電壓）為：

在輸入信號為電流信號時，[RI2]焊接15 Ω，運放輸出電壓（即光耦輸入電壓）為：

在實際使用時，可以選擇[RI1]，[RI2]，[RI3]的阻值來適應不同類型輸入信號。

0～180 V交流電壓輸入時，[RI1]不焊。IN峰值輸入范圍[Vi∈-254.52 V，254.52 V]，運放輸出電壓（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，實際應用中選擇1.5 MΩ。

以此類推，其余輸入信號的采樣電阻如表1所示。

2.3? 輸出部分電路設計

C87B輸出為差分輸出，共模電壓為1.23 V，放大系數為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，運放同樣選用AD822，一個通道用于生成-4.5 V直流偏置電壓，另一個通道構成差分放大電路。考慮到后端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。

根據差分運放電路計算公式：

因此整個隔離采樣電路中可以采樣負壓，輸出負壓。輸入為0時，輸出為0。

以0～180 V交流電壓輸入為例，計算過程如下：

其他輸入信號以此類推，符合C87B光耦和電路設計要求。

2.4? 隔離電源電路設計

為了減少電源對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計思想，C87B兩側電源都是5 V供電，另外考慮零漂問題，AD822運放采用雙電源供電，因此需要同時輸出±5 V的隔離電源，經研究，選用了金升陽公司的A1205S?1WR2隔離電源模塊。A1205S?1WR2是廣州金升陽公司生產的隔離電源模塊，額定輸出功率1 W，12 V輸入，隔離非穩壓±5 V雙路輸出。隔離電壓達到1 500 V，電路設計簡單，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? 試驗測試與結果分析

根據模擬信號隔離采樣電路設計原理，搭建測量電路并對其精度進行分析，接入故障錄波器，在實時監視中監測采樣值記錄并計算相對誤差，測試結果見圖7～圖12。

在圖7中，在[-20 mA，20 mA]范圍內，最大相對誤差為4 mA輸入時的0.01%。最大誤差小于0.5%。

圖8中，在[-20 V，20 V]范圍內，最大相對誤差為6 V輸入時的0.083%，最大誤差小于0.5%。

圖9中，在[-500 V，500 V]范圍內，最大相對誤差為-400 V輸入時的0.32%。最大誤差小于0.5%。

交流電壓輸入時，按照《DL/T 553?2013 電力系統動態記錄裝置通用技術條件》的要求裝置應具有25次及以下諧波分析能力，分析誤差不應大于5%。因此交流電壓輸入時，不但要測試工頻精度，還需要測試25次及以下諧波精度。在圖10中，工頻輸入時，在[0 V，180 V]范圍內，最大相對誤差為18 V輸入時的0.083%。最大誤差小于0.5%。諧波測試時，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次諧波及以內，最大諧波誤差為25次諧波時的1.498%。50次以內最大諧波誤差為50次諧波時的5.802%。由圖7～圖12可以看出，本文設計的模擬信號隔離采樣電路在各種輸入信號和范圍時，精度較高，達到了設計要求。

4? 結? 論

本文基于線性光耦ACPL?C87B的研究提出了一種模擬信號隔離采樣電路方案。此方案將輸入/輸出和電源部分隔離，通過簡單的電阻匹配適應用交直流電壓和直流電流等信號。并根據此方案搭建了試驗電路，根據相關標準對各種輸入信號的采樣結果進行測試。測試結果證明了本文提出的采樣方案具有很高的精度。目前本方案已經在我司裝置上批量使用，并得到了良好的使用效果。

參考文獻

[1] 馬文寧.基于CD4046鎖相環的電壓隔離采樣電路設計[J].現代導航，2019（3）：228?231.

[2] 鄭波祥.輸出可調I/V隔離轉換電路設計及分析[J].工業控制計算機，2017，30（12）：153?154.

[3] 劉希高，凌春暉，呂馥言，等.基于HCNR201的高精度模擬信號隔離電路設計[J].儀表技術與傳感器，2017（1）：147?150.

[4] 張巖，秦曉芳，劉根水.光耦在直流電機驅動系統中的應用[J].電子技術，2017，46（10）：67?70.

[5] 王振，丁立波，張合.一種基于HCNR201的高精度絕緣檢測電路[J].自動化技術與應用，2018，37（5）：86?89.

[6] Broadcom. ACPL?C87B， ACPL?C87A， ACPL?C870 precision optically isolated voltage sensor data sheet [CP/DK]. Irvine， USA： Broadcom， 2019.

[7] Broadcom. EVBD?ACPL?C87B/C87A/C870 isolated voltage sensor evaluation board [CP/DK]. Irvine， USA： Broadcom， 2013.

[8] Broadcom. Optocouplers ensure safety and enable efficiency in electric vehicle charging stations [CP/DK]. Irvine， USA： Broadcom， 2016.

[9] 鄭波祥.寬溫工作的HCNR201隔離式調理電路設[J].電子測量技術，2018，41（10）：132?136.

[10] 肖業偉，王正強，吳稱列.基于線性光耦HCNR201隔離電路的低溫漂研究[J].信息技術，2016（3）：69?72.