一種信號隔離電路設計及故障模式分析

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(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

工業信號為什么需要隔離？由于工業現場的環境條件太過復雜，各種干擾(電氣設備的頻率干擾、電暈電火花放電的干擾、天體放電的干擾、感應干擾等)，通過不同的耦合方式(電磁耦合、電容耦合、共阻抗耦合、漏電流耦合等)進入到測量功能電路。另外，有些信號需要長距離傳輸，傳輸過程中會引入很強的干擾，而輸出電路常需要放大，這就會使輸出信號的準確度下降，嚴重的情況下干擾信號可能會覆蓋原信號，這些都會使測量的結果據標稱值產生誤差，嚴重時會由于誤差是控制系統產生誤判斷，從而執行機構誤動作，導致功能實現異常，嚴重的會造成設備損壞、人員受傷。所以為了對工業生產中的干擾進行抑制隔離，保證整個檢測系統的準確性，使系統能夠安全、平穩、準確無誤地運行，信號和儀表或系統之間采取一定的防范措施是非常有必要的，最常采用的便是電隔離方法，信號隔離變換電路就派上用場了。在自動化儀表應用系統的組建過程中，信號隔離起著十分關鍵的作用。

由于電氣系統的各部分的電氣特性有著很大差別，在發送數字信號或者模擬信號的過程中極可能在發送端和接收端產生電流連接，信號隔離電路的最主要的功能就是夠把輸入信號和輸出信號隔離開來，很好的解決環路和設備之間的相互干擾信號隔離電路能，隔離變換電路的第二個功能就算去除系統與外界的共模電壓，消除線路傳輸過程中外界的一些電磁干擾。此外工業生產需要電源為多臺設備供電，若功率較大需要多臺電源，則可能會造成沖突，大大影響系統的正常工作，使用信號隔離電路之后就可以有效的解決這個問題，使得各個設備有條不紊的工作。信號隔離電路可以對一些設備進行信號隔離分配。很多設備常常會帶有一些負載，這就不可避免的要使用到電阻和導線等，可是一般情況下導線長度往往會影響設備的電阻，電阻一改變又會影響整個設備的電壓，使用信號隔離電路后就能解決好以上各種問題。

本文介紹一種有效的信號隔離電路，具備將1路4～20 mA電流輸入信號轉換為2路相同1～5 V電壓輸出信號功能，將輸入、輸出、電源三端相互電氣隔離,并通過仿真進行該電路的一種故障模式分析。

1 信號隔離電路原理

在復雜的工業現場環境中，有相當多的信號干擾源會對傳感器、儀器儀表正常工作造成危害，最嚴重的是電網尖峰脈沖干擾，信號在傳輸過程中會遇到各種各樣的干擾，隔離就是要破壞干擾的途徑，切斷干擾耦合的通道，從而實現輸入、輸出、電源之間的電氣三端隔離，抑制干擾的一種技術措施。實現保護下級控制電路、削弱環境噪聲對測試電路的影響和抑制公共地等不明脈沖對設備的干擾。

信號隔離變換電路的作用有以下3條。

1)變換作用：信號隔離器是將一種形式的信號轉換為另一種形式的信號，如將溫度信號轉換為4～20 mA電流信號、標準轉換4～20 mA轉1～5 V;

2)放大、遠傳作用：為方便長距離傳輸，將一些微弱的mV級的信號放大至易處理的標準信號，將易收到干擾的電壓信號轉換為電流信號，比如4～20 mA電流信號就可以傳輸1 000 m；

3)保安全作用：隔離變換電路可以保護上位更重要器件的安全，比如工控機、PLC等，隔離作用可以保護其免受損壞。

本次設計的信號隔離電路是由電流輸入電路、單片機、輸出電路1、輸出電路2以及隔離電源電路組成。其中輸入電路的主要作用是將輸入的電流信號轉換為電壓信號，且包含濾波電路，對信號進行濾波；單片機的功能是實現對經輸入電路轉換后的電壓信號進行AD轉換、誤差補償以及實現對輸出組態進行選擇；輸出電路1、2將輸出的數字信號分別通過PC900V光耦進行隔離，隔離后的信號通過脈沖整形、DA轉換輸出兩路相同的電壓信號；隔離電源將24 V直流轉換為輸入電路、單片機和光耦需要的電壓信號為其供電。下面詳細的介紹一下輸入電路的硬件設計。

圖1 信號隔離電路原理框圖

2 硬件電路設計

電流輸入電路的詳細設計見圖2。

圖2 電流輸入電路原理圖

使用兩個精密電阻R3、R4，并聯形成I-U轉換電阻，4～20 mA的輸入電流Iin經過轉換電阻后變為0.2～1.0 V DC的電壓信號，使用兩個電容C1、C2并聯形成濾波電路對轉換的電壓信號進行濾波，得到電壓Ud。Ud經過運放U1A形成電壓UO，UO最終進入單片機的AD0通道進行AD采集。電路輸入輸出關系為(忽略30 mV偏移電壓)：

U1A為差分比例放大電路，+V和-V為隔離供電電源的24 V轉換電壓(提供的輸入電路供電電源)，+V為7.0 VDC，-V為-7.4 VDC。

U2是線性穩壓器，可以為單片機提供VCC供電5 V，同時經過R9、R10分壓，能夠為運放提供一個直流偏移電壓(約30 mV)，起到改善AD采集精度的作用。

3 故障模式分析

3.1 故障現象

在信號隔離電路批量調試過程中發現一塊電路板輸出電路1和輸出電路2測得數據均偏差較大，詳見表1。測試結果顯示故障模塊的轉換精度超出0.15%的標稱范圍。

表1 故障電路板測試結果

3.2 故障排查及定位

故障出現時兩路輸出信號均為誤差過大，且輸出值較為一致，結合電路原理可知輸出部分電路故障，即輸出電路1和輸出電路2同時發生故障的可能性較小。為了驗證單片機電路和輸出電路功能未出現故障，采用本次故障電路板與正常電路板比對的方式測量單片機輸入信號與模塊輸出信號的關系，測試點如圖3所示。

圖3 輸出電路、單片機故障排查測試點

如圖3所示，分別測量正常模塊和故障模塊的單片機輸入端電壓V1和模塊輸出端電壓V2(V2取輸出1電壓值，輸出2電壓值與輸出1一致)，測量結果如表2所示。

表2 正常電路與故障電路測試結果比對

經過測試和分析，故障模塊的V1-V2轉換關系與正常模塊的V1-V2轉換關系一致，故可排除單片機故障和輸出電路故障，而輸入電流-V1轉換關系與正常電路的轉換關系不同，因此可以排除故障定位于電流-V1轉換環節，即輸入電路部分。

對輸入電路(如圖2)進行分段測試，分別測量故障模塊和正常模塊輸入電路中的Ud和UO信號，發現故障模塊與正常模塊的Ud信號有差別，如表3。

表3 正常電路與故障電路測試結果比對

使用示波器查看輸入輸出信號波形，發現故障電路運放的輸入輸出信號上疊加了很大幅度的交流振蕩信號，如圖4，而正常模塊運放輸入輸出端信號波形為直流，不含交流信號。

圖4 故障電路運放輸入輸出信號波形

圖4是輸入電流為0 mA時運放輸出端與輸入端信號的波形，可見運放輸出端信號幅度接近運放的正負供電電源電壓，而正常電路的運放輸出端信號為直流。進一步對輸入電路的其他點進行測試，發現其他點的輸出波形均為直流，未疊加交流信號，因此可以確定輸入電路中的Ud信號異常是由于故障電路板的運放電路產生了自激振蕩造成的。

3.3 機理分析

3.3.1 運放電路原理

將運放的輸出與運放的反相輸入端連接起來，這樣的方式被稱為負反饋，負反饋運放電路會很快達到一個穩定狀態，輸出電壓的幅值會很準確的維持運放兩個輸入端之間的壓差，這個壓差反過來會產生準確的運放輸出電壓的幅值。這是使系統達到自穩定的關鍵。

信號隔離電路輸入運放電路可簡化為如下形式(省略了與分析無關的部分元件)：

圖5 運放負反饋放大電路

該電路為典型的負反饋放大電路，根據負反饋電路分析方法，正常工作時電路輸入輸出的增益G為：

其中：A為運放電路開環增益，F為反饋系數，AF為環路增益，即R2/R1，由于理想情況下運放開環增益A?1，因此電路增益，即實現比例放大作用。

3.3.2 運放電路自激振蕩原理

使用負反饋會改善線性度、增益穩定、輸出阻抗、增益的精度，但使用負反饋同樣也會帶來一個嚴重的問題，那就是降低系統的穩定性。

理論上當電路中1+FA趨近于0時，|G|為無窮，即沒有信號輸入也會有波形輸出，于是就產生了自激振蕩。自激振蕩的引起，主要是因為集成運算放大器內部是由多級直流放大器所組成，由于每級放大器的輸出及后一級放大器的輸入都存在輸出阻抗和輸入阻抗及分布式電容，這樣在級間就存在R-C相移網絡，當信號每通過一級R-C網絡后，就要產生一個附加相移。此外，在運放的外部偏執電阻和運放輸入電容、運放輸出電阻和容性負載反饋電容、一級多級運放通過電源的公共內阻、甚至電源線上的分布電感、接地不良等耦合，都可形成附加相移。結果，運放輸出的信號，通過負反饋回路再疊加增到180度的附加相移，且若反饋量足夠大，終將使負反饋轉變成正反饋，從而引起振蕩。

由于實際電路中，運放的增益和相位移會隨信號頻率變化(即頻率響應)，當信號頻率變化時，輸出信號和反饋信號會產生附加相位移。如果附加相位移達到±180°，則此時反饋信號與輸入信號同相，負反饋就會變成正反饋，反饋信號加強，當反饋信號大于凈輸入信號時，即使去掉輸入信號也有信號輸出，于是就產生了自激振蕩。因此自激振蕩產生的條件為電路附加相位移達到±180°時，環路增益|FA|>1。

運放電路的設計通過適當設計電路參數保證電路附加相位移達到±180°時環路增益|FA|<1，電路不會產生自激振蕩。

當印制板線路失效或其他原因導致線路阻抗參數發生變化時，可能出現電路附加相位移達到±180°時，環路增益|FA|>1的情況，引起自激振蕩。使用電路仿真軟件對上述電路進行仿真，電路見圖6，在運放同相輸入端對GND的電容接地端串入10 M電阻(RX1)模擬印制板線路故障的情況，電路輸入輸出波形見圖7，可見輸出波形幅度接近供電電源電壓，驗證了故障信號隔離電路確實產生了自激振蕩。

圖6 運放負反饋放大電路仿真電路

圖7 運放負反饋放大電路故障模擬仿真結果

3.4 故障模式分析

用手按壓電路板C2、C3電容位置，模擬印制板線路故障的情況，使用示波器對輸出波形就行實時監測，發現輸出波形會跟隨手按壓電容的力度不同而變化，故可定位于運放電路C2、C3電容管腳接觸性問導致運放電路產生了自激振蕩，最終造成信號隔離電路輸出超差。

在運輸、振動等狀態下信號隔離電路發生輸出超差的故障概率會增大，故對于振動環境要求比較嚴苛的工況，體積較大的元器件或工裝在振動條件嚴苛的工況下更容易發生損壞，故可通過減小元器件和電路板的大小來增加電路的抗震能力，也可整機裝入減震機箱減少振動干擾，建議對信號隔離電路板進行一定量級的振動試驗篩選出質量較差的電路板。

4 結束語

信號隔離變換電路在工業環境中，特別是在實時精確控制和精密測量系統中的應用越發廣泛。經過信號隔離變換電路處理過的信號可以將大部分的干擾濾掉，避免測量誤差及誤差導致的誤操作，使得測量結果更加精確。林掛電磁干擾的客觀存在，使信號在傳輸過程中難免因受到干擾而失真。如果現場采集的信號有強脈沖，信號隔離變換電路用于隔離現場設備采集到的信號和計算機處理的信號，能夠起到緩沖的作用，避免設備受到強脈沖沖擊而損壞，這就使得信號隔離變換電路的存在更有意義。

本文提出的了一種信號隔離電路設計方法，信號隔離電路由電流輸入電路、單片機、輸出電路1、輸出電路2以及隔離電源電路組成。此電路設計簡單可靠，實用性強，能夠從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，切斷干擾通道，實現輸入、輸出、電源之間的電氣三端隔離，保證設備與操作人員安全，并基于此信號隔離電路，通過仿真驗證給出了一種故障模式的機理分析和故障應對策略措施，對于工業中信號隔離設計具有一定借鑒意義[1-9]。