模拟信号隔离技术用于高压电器监测

１）电路简单 成本低 工作稳定尤其适合单片机系统 ２）抗干扰能力强 由于电压／频率变换采用数字脉冲电
图１２ 模数转换法应用电路
路 因此它不受脉冲和随机高频噪声的干扰
３）可方便的实现多ＣＰＵ共享一套电压／频率变换电路
４）占用单片机资源
５）随着电压的不同 信号转换的速度也在变化 在电压
较低时转换速度较慢
线性光耦
ＡＤ２０２ 和 ＡＤ２０４适合应用于抗快速共模冲击而又不损 失带宽的场合 图４为电动机全桥驱动电流通过ＡＤ２０４进行 隔离监测的例子
对于２００Ｖ的共模阶跃响应（１ｍｓ的上升时间）和５０倍的 增益 在ＡＤ２０４的二次侧将产生幅值为 ５ｍＶ的电压尖刺 持续１００ ｍｓ左右 这时只要在输出侧加一个高于ＡＤ２０４带 宽的滤波器便可滤除此电压尖刺
３．特点和注意事项 １）线路简单 所需其他外围部件较少 ２）线性度高 可以达到０．０１％
万方数据
１．基本原理 由线性光耦组成的隔离电路本质上也是一种光耦合隔离 放大器 常用的线性光耦有惠普公司的ＨＣＮＲ２００／２０１ 克莱 公司（ｃｌａｒｅ）的ＬＯＣ１１０ 亿恒科技（Ｉｎｆｉｎｅｏｎ）的ＩＬ３００和德州仪 器（ＴＩ）的ＴＩＬ３００等
光电隔离式隔离放大器相对其他隔离放大器频带较宽 （ＨＣＰＬ７８００的带宽达到８５ ｋＨｚ） 体积小（ＨＣＰＬ７８００为ＤＩＰ８ 封装） 但相对其他两种类型的隔离放大器 其线性度差 输 入电压信号范围小 更适用于需要高速 精度不是很高但成 本低的场合 例如电动机电流监测等
为了弥补变压器型隔离放大器频带窄和光电隔离型精度 差的缺点 可以利用霍尔元件作为隔离器件设计隔离放大器 霍尔元件是一种磁传感器 它具有体积小 重量轻 寿命长 功耗小 频率高（可达１ ＭＨｚ）等诸多优点 霍尔元件分霍尔 线性器件和霍尔开关器件 霍尔线性器件的精度高 线性度 好 霍尔隔离放大器的原理是 由输入的电信号建立的磁场 经霍尔器件的作用 实现了磁电变换后 又变成电信号输出 这一变换实现了输入 输出信号间的电隔离 霍尔隔离放大 器的原理框图示于图１ 是以霍尔元件为中心 构成一个自平 衡弱电流比较仪 用以取代变压器耦合隔离放大器中的调制 解调系统 使线路简化 仔细调整电流比较仪的电路 将放 大器的频带大大展宽 使之可达 ＤＣ ２ＭＨｚ 而且保持了磁 耦合隔离放大器的增益精度和光耦合隔离放大器的线性度
隔离放大器
隔离放大器是一种将输入与输出之间在电气上进行绝缘 的高耐压 低噪声放大器 适用于在高电压上检测信号 不 同基准电位的装置之间的接口 在测量仪器的输入端防止来 自高压侧的噪声信号等方面的应用
１．隔离放大器分类 隔离放大器根据耦合方式不同可分为变压器耦合 电容 耦合和光耦合３种隔离放大器 采用变压器隔离的隔离放大器主要有模拟器件公司的 ＡＤ２０２ ＡＤ２０４ ＡＤ２１０ 和 ＡＤ２１５ 等 模拟器件公司的隔离 放大器一般都带有隔离电源输出 外围器件少 使用方便 其 中ＡＤ２０２和２０４成本低 线性度好 输入信号在 ７．５Ｖ之间 但带宽只有５ ｋＨｚ 所以不能应用在信号急剧变化的场合 采用电容耦合的隔离放大器有 ＢＢ 公司的 ＩＳＯ１０２
３．特点和注意事项
万方数据
２００５年１月７日 中 国低压电器行业引人注 目的两个会议同时召开 一个是温州柳市召开的 温州电气行业协会理事 会 其主题从第５届温州电气文化节的通气会一举转向了时下的 降价风波 与此同时 中国电工技术学会低压电器专业委员 会第十二届学术年会在广东省成功举办 来自全国的１００多位业 内专家 学者 企业界同仁们齐聚美丽的佛山西樵山脚 围绕 着低压电器行业未来发展与技术升级等议题进行了深入而广泛 的研讨 切磋和交流 面对原材料的大幅度上涨与２００５年国内产品的降价风波 专家指出 提高低压电器的科技含量 大容量 小型化 高性 能 多功能 智能化 网络化和可通信是发展方向 第一二代低 压电器产品的生命期为时不长 三四代产品即将成为市场的主 流 尽管我国低压电器近年得到迅速发展 但目前与国外先进 产品相比仍有１０年的差距 应该引起注意的是国外新型产品采 用双断点触头系统来提高电弧电压 使用新式灭弧室来提高灭 弧能力 利用计算机仿真技术和三维图形技术对产品进行优化 设计 面对国内企业的生产现状 专家认为 尽快采用数字化 设计 数字化生产 数字化装置和数字化管理技术提高低压电 器产品的自主创新能力 是国内企业走出困境的惟一途径
６）只能转换单极性信号 EA
（收稿日期 ２００４．１２．１９）
自主创新走出价格竞争 专家为低压电器企业开处方
ＬＭ３３１将电压值转换为频率信号 通过光耦后 由ＰＩＣ 单片机在一固定时间内读到脉冲的个数来计算出对应的电压 值（如图１２所示） 或利用单片机的捕获功能 当输入脉冲个 数达到一定值时触发中断 再读出这段时间便能计算出脉冲 频率值 通过增加记数数目可以提高分辨率和精度 但也增 加了采样时间 不适用信号变化快和实时性要求高的场合 在特殊的情况下可以通过软件自动改变记数时间 以兼顾精 度和速度 同时采用更高频率的转换芯片 如ＶＦＣ１１０ 来提 高转换的精度 ＶＦＣ１１０ 的中心频率为 ２ ＭＨｚ 这时需要采 用超高速光耦进行隔离 如６Ｎ１３７ 为了提高输入电压信号 较低时的转换速度 输入信号可以通过对运放加入初始电压 来解决
Ｒｆ＝１００ Ｒ３ Ｒ１ ＶＯ１＝ＶＡ（１００Ｒ３／Ｒ１） 若Ｒ１＝１００Ｒ３ 则ＶＯ１＝ＶＡ 这样一次侧实质上成为跟随器 这样二次侧的输出为
ＶＯＵＴ＝Ｋ３（Ｒ２／Ｒ１）ＶＡ Ｋ３为两个光敏二极管的电流传输比之比 由于ＬＯＣ１１０ 的 Ｋ３ 典型值为 １ 则
ＶＯＵＴ＝（Ｒ２／Ｒ１）ＶＡ 通过调节Ｒ２的值可以抵消芯片参数的误差 ＬＩＡ１００线性光耦则将２个放大器集成在芯片内部 这样
线性光耦的结构如图 ５ 所 示 ＰＤ１在伺服模式设计下运作 以补偿发光二极管的非线性时间 及温度特性 从而使 ＰＤ２ 把 ＬＥＤ 稳定 线性的光输出转变成稳 定 线性的电流 除此之外 线 性光耦能同时耦合交流及直流信 号 线性光耦为设计者提供可取代大体积的变压器及非线性 光耦合器件的另一种更佳的选择 其中Ｋ１＝ＩＰ１／ＩＦ Ｋ２＝ＩＰ２／ＩＦ 见 图６ ２．典型应用电路
图６为线性光耦的典型应用电路 其中输入侧的等效电
电气时代 ２００５ 年第 ２ 期 ｜ ７ ３
EA
路如图 ７ 所示
高 低 压 电 器 专 辑
ＬＯＣ２１０则将正反两个线性光耦集成在一个芯片内 实 现模拟信号的输入和输出
可以推算出
ＶＡ／Ｒ１＝（ＶＯ１ ＶＡ）／Ｒｆ
EA
沈阳工业大学电气工程学院 赵红强 徐建源
高
低
压 电
模拟信号隔离技术用于
器
专 辑
高压电器监测
隔离放大器使用方便 可靠性高 适用于对线性度和响应速度要求较高的 精密设备 线性光耦带宽较宽 绝缘电压高 适用于一般工业控制 电压 ／ 频 率转换方案适用于低成本的单片机系统
在高压电器微机监测与保护设备中 为了系统可靠和操 作人员的安全 高压侧信号与微机侧信号需要进行隔离 其 中电压互感器和电流互感器是常用的设备 但互感器的体积 大 线性度差 响应速度慢 而且只能传输交流信号 此外 可以采用电子元件进行信号隔离 其中对数字信号的隔离较 为简单 可以采用光耦 光纤等实现 由于普通光耦的线性 度较差 模拟信号的隔离比较复杂 成本也比较高 主要使 用的方法为采用隔离放大器 线性光耦和采用电压／频率转换 器件进行传递等方法
７ ２ ｜ 电气时代 ２００５ 年第 ２ 期
万方数据
是一种高精度宽频带的隔离放大器
高低压电器专辑
３）输入电压可以为交流信号 ４）带宽不是很高 一般为几ｋ到１００ｋＨｚ左右 ５）体积较大 价格较高 ６）存在电磁干扰 输入输出需要进行滤波
２．典型应用电路 隔离输入电路的信号可以是电压型亦可是电流型 前者 能组成单位增益缓冲器和增益Ｇ＞１的前置放大器（如图２所 示） 后者能组成单路或多路电流加法放大器（如图３所示） 需 要注意的是 在图２ 中ＲＦ ２０ ｋ 当增益大于 ５时 管脚 ４和２之间的１００ ｐＦ电容器是不可缺少的 对于ＡＤ２０２ ＩＮ＋ （管脚１）端的限流电阻必须使用 以防止放大器未上电时输入 信号损坏放大器
可以减少电路芯片数目 提高系统可靠性 方便使用者的设
计
如果系统对线性度要求不高 则单独的Ｋ２（或Ｋ１）也可以 满足要求 这样线路将非常简单 图１０为电容器电压监测电 路 当电容器的电压达到２００Ｖ时 通过Ｒ１的电流为１０ ｍＡ 调整Ｒ２ 使Ｒ２上的电压为３．５Ｖ（不要高于运放的饱和电压） 故可以把运放的输出电压和３．５Ｖ电压相比较来判断电压是否 达到 ２００Ｖ
3.周海龙 基于开关磁阻电动机的新型电动执行器的研究与设计[学位论文]硕士 2006 4.王隽 基于DSP的数字式同步器/解算器研制[学位论文]硕士 2005
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ＩＳＯ１０３ ＩＳＯ１０７ ＩＳＯ１２４ 等 ＢＢ 公司的隔离放大器带宽 相比ＡＤ２０２较高 可以达到２０ ｋＨｚ 输入电压信号的范围 为 １０ Ｖ ＋１０ Ｖ 采用了标准的ＤＩＰ封装 其中ＩＳＯ１０３也 带隔离电源输出 且输出电流能达到５０ ｍＡ 可以进一步简 化设计
采用光电隔离的隔离放大器有 Ｂ Ｂ 公司的 Ｉ Ｓ Ｏ １ ０ ０ ＩＳＯ１３０ 和惠普的 ＨＣＰＬ７８００ 系列等
３．特点和注意事项 １）线性度高 可以达到０．０１％ ２）频带宽 一般超过几百ｋＨｚ ３）价格适中 体积小 ４）隔离电压高 抗共模干扰能力强 ５）存在 盲区 当输入电压比较小时 线性度较差 ６）线路比较复杂 需要调整参数
电压／频率转换传输法
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万方数据
１．基本原理 首先将电压模拟信号线性地转换成数字脉冲式频率信号 使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小 再把数字脉冲信 号通过光耦等进行传输 如果需要可再将信号恢复成模拟信 号 此方案有多种实现方法 其中较简单的方法是通过电压／
高低压电器专辑
频率变换芯片将模拟信号转化为频率信号 通过光耦之后再 利用频率／电压转换芯片恢复原模拟信号 或通过单片机在固 定时间内接收到的脉冲数来判断一次侧的电压信号值的大小
常用的电压 ／ 频率及频率 ／ 电压变换芯片有 ＬＭ３３１ ＡＤ６５４ ＬＭ２９０７ 和 ＶＦＣ１１０ 等
２．应用电路 本电路采用的频率／电压转换模块为ＬＭ３３１ ＬＭ３３１的 主要特点有 Ｖ Ｆ的非线性误差小（０．０１ ） 电源适应能力 强 允许单 ５Ｖ使用 Ｖ Ｆ 转换范围宽（１Ｈｚ １００ｋＨｚ） 温 度稳定性好 输出负载能力强 能同时兼容 ＣＭＯＳ 和 ＴＴＬ逻 辑电平 同时价格较低 图 １１ 是 ＬＭ３３１ 内部结构原理图 ＬＭ３３１内部由输入比 较器 定时比较器 Ｒ Ｓ触发器 输出驱动 复零晶体管 基准电路和电流开关等部分组成 同样 ＬＭ３３１也可构成频 率／电压转换电路
Ｒｆ＝Ｒ１ ＶＯ１ ＶＡ ／ ＶＡ
Ｒｆ＝ Ｒ１ ＶＯ１／ ＶＡ Ｒ１
１
因为流到 Ｒ１上的电流为ＩＦ 的１％（ＬＯＣ１１０的传输比为１％
左右） 故
ＩＦ＝ ＶＯ１／Ｒ３＝１００ ＶＡ ／Ｒ１ 即 ＶＯ１／ ＶＡ ＝１００Ｒ３／Ｒ１ 代入式（１）得
电气时代 ２００５ 年第 ２ 期 ｜ ７ ５
模拟信号隔离技术用于高压电器监测
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
赵红强， 徐建源 沈阳工业大学电气工程学院
电气时代 ELECTRIC AGE 2005(2) 4次
引证文献(4条)
1.朱峰.苗克坚.王阳 基于ARM微处理器的电源监控模块的设计[期刊论文]-电子测量技术 2009(2) 2.李媛.黄凯.张明安 高线性模拟光耦在膛压测试中的应用[期刊论文]-火炮发射与控制学报 2008(4)