一種信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)及故障模式分析

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(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

工業(yè)信號(hào)為什么需要隔離？由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件太過(guò)復(fù)雜，各種干擾(電氣設(shè)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(yīng)干擾等)，通過(guò)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(jìn)入到測(cè)量功能電路。另外，有些信號(hào)需要長(zhǎng)距離傳輸，傳輸過(guò)程中會(huì)引入很強(qiáng)的干擾，而輸出電路常需要放大，這就會(huì)使輸出信號(hào)的準(zhǔn)確度下降，嚴(yán)重的情況下干擾信號(hào)可能會(huì)覆蓋原信號(hào)，這些都會(huì)使測(cè)量的結(jié)果據(jù)標(biāo)稱(chēng)值產(chǎn)生誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)由于誤差是控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤判斷，從而執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作，導(dǎo)致功能實(shí)現(xiàn)異常，嚴(yán)重的會(huì)造成設(shè)備損壞、人員受傷。所以為了對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的干擾進(jìn)行抑制隔離，保證整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，使系統(tǒng)能夠安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行，信號(hào)和儀表或系統(tǒng)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(hào)隔離變換電路就派上用場(chǎng)了。在自動(dòng)化儀表應(yīng)用系統(tǒng)的組建過(guò)程中，信號(hào)隔離起著十分關(guān)鍵的作用。

由于電氣系統(tǒng)的各部分的電氣特性有著很大差別，在發(fā)送數(shù)字信號(hào)或者模擬信號(hào)的過(guò)程中極可能在發(fā)送端和接收端產(chǎn)生電流連接，信號(hào)隔離電路的最主要的功能就是夠把輸入信號(hào)和輸出信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)，很好的解決環(huán)路和設(shè)備之間的相互干擾信號(hào)隔離電路能，隔離變換電路的第二個(gè)功能就算去除系統(tǒng)與外界的共模電壓，消除線(xiàn)路傳輸過(guò)程中外界的一些電磁干擾。此外工業(yè)生產(chǎn)需要電源為多臺(tái)設(shè)備供電，若功率較大需要多臺(tái)電源，則可能會(huì)造成沖突，大大影響系統(tǒng)的正常工作，使用信號(hào)隔離電路之后就可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題，使得各個(gè)設(shè)備有條不紊的工作。信號(hào)隔離電路可以對(duì)一些設(shè)備進(jìn)行信號(hào)隔離分配。很多設(shè)備常常會(huì)帶有一些負(fù)載，這就不可避免的要使用到電阻和導(dǎo)線(xiàn)等，可是一般情況下導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度往往會(huì)影響設(shè)備的電阻，電阻一改變又會(huì)影響整個(gè)設(shè)備的電壓，使用信號(hào)隔離電路后就能解決好以上各種問(wèn)題。

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

1 信號(hào)隔離電路原理

在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，有相當(dāng)多的信號(hào)干擾源會(huì)對(duì)傳感器、儀器儀表正常工作造成危害，最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)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(shí)現(xiàn)輸入、輸出、電源之間的電氣三端隔離，抑制干擾的一種技術(shù)措施。實(shí)現(xiàn)保護(hù)下級(jí)控制電路、削弱環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試電路的影響和抑制公共地等不明脈沖對(duì)設(shè)備的干擾。

信號(hào)隔離變換電路的作用有以下3條。

1)變換作用：信號(hào)隔離器是將一種形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一種形式的信號(hào)，如將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換4～20 mA轉(zhuǎn)1～5 V;

2)放大、遠(yuǎn)傳作用：為方便長(zhǎng)距離傳輸，將一些微弱的mV級(jí)的信號(hào)放大至易處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將易收到干擾的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，比如4～20 mA電流信號(hào)就可以傳輸1 000 m；

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

本次設(shè)計(jì)的信號(hào)隔離電路是由電流輸入電路、單片機(jī)、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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，且包含濾波電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波；單片機(jī)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)輸入電路轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、誤差補(bǔ)償以及實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出組態(tài)進(jìn)行選擇；輸出電路1、2將輸出的數(shù)字信號(hào)分別通過(guò)PC900V光耦進(jìn)行隔離，隔離后的信號(hào)通過(guò)脈沖整形、DA轉(zhuǎn)換輸出兩路相同的電壓信號(hào)；隔離電源將24 V直流轉(zhuǎn)換為輸入電路、單片機(jī)和光耦需要的電壓信號(hào)為其供電。下面詳細(xì)的介紹一下輸入電路的硬件設(shè)計(jì)。

圖1 信號(hào)隔離電路原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電流輸入電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 電流輸入電路原理圖

使用兩個(gè)精密電阻R3、R4，并聯(lián)形成I-U轉(zhuǎn)換電阻，4～20 mA的輸入電流Iin經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電阻后變?yōu)?.2～1.0 V DC的電壓信號(hào)，使用兩個(gè)電容C1、C2并聯(lián)形成濾波電路對(duì)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，得到電壓Ud。Ud經(jīng)過(guò)運(yùn)放U1A形成電壓UO，UO最終進(jìn)入單片機(jī)的AD0通道進(jìn)行AD采集。電路輸入輸出關(guān)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(zhuǎn)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(xiàn)性穩(wěn)壓器，可以為單片機(jī)提供VCC供電5 V，同時(shí)經(jīng)過(guò)R9、R10分壓，能夠?yàn)檫\(yùn)放提供一個(gè)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(xiàn)象

在信號(hào)隔離電路批量調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一塊電路板輸出電路1和輸出電路2測(cè)得數(shù)據(jù)均偏差較大，詳見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果顯示故障模塊的轉(zhuǎn)換精度超出0.15%的標(biāo)稱(chēng)范圍。

表1 故障電路板測(cè)試結(jié)果

3.2 故障排查及定位

故障出現(xiàn)時(shí)兩路輸出信號(hào)均為誤差過(guò)大，且輸出值較為一致，結(jié)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(shí)發(fā)生故障的可能性較小。為了驗(yàn)證單片機(jī)電路和輸出電路功能未出現(xiàn)故障，采用本次故障電路板與正常電路板比對(duì)的方式測(cè)量單片機(jī)輸入信號(hào)與模塊輸出信號(hào)的關(guān)系，測(cè)試點(diǎn)如圖3所示。

圖3 輸出電路、單片機(jī)故障排查測(cè)試點(diǎn)

如圖3所示，分別測(cè)量正常模塊和故障模塊的單片機(jī)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(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 正常電路與故障電路測(cè)試結(jié)果比對(duì)

經(jīng)過(guò)測(cè)試和分析，故障模塊的V1-V2轉(zhuǎn)換關(guān)系與正常模塊的V1-V2轉(zhuǎn)換關(guān)系一致，故可排除單片機(jī)故障和輸出電路故障，而輸入電流-V1轉(zhuǎn)換關(guān)系與正常電路的轉(zhuǎn)換關(guān)系不同，因此可以排除故障定位于電流-V1轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，即輸入電路部分。

對(duì)輸入電路(如圖2)進(jìn)行分段測(cè)試，分別測(cè)量故障模塊和正常模塊輸入電路中的Ud和UO信號(hào)，發(fā)現(xiàn)故障模塊與正常模塊的Ud信號(hào)有差別，如表3。

表3 正常電路與故障電路測(cè)試結(jié)果比對(duì)

使用示波器查看輸入輸出信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)故障電路運(yùn)放的輸入輸出信號(hào)上疊加了很大幅度的交流振蕩信號(hào)，如圖4，而正常模塊運(yùn)放輸入輸出端信號(hào)波形為直流，不含交流信號(hào)。

圖4 故障電路運(yùn)放輸入輸出信號(hào)波形

圖4是輸入電流為0 mA時(shí)運(yùn)放輸出端與輸入端信號(hào)的波形，可見(jiàn)運(yùn)放輸出端信號(hào)幅度接近運(yùn)放的正負(fù)供電電源電壓，而正常電路的運(yùn)放輸出端信號(hào)為直流。進(jìn)一步對(duì)輸入電路的其他點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其他點(diǎn)的輸出波形均為直流，未疊加交流信號(hào)，因此可以確定輸入電路中的Ud信號(hào)異常是由于故障電路板的運(yùn)放電路產(chǎn)生了自激振蕩造成的。

3.3 機(jī)理分析

3.3.1 運(yùn)放電路原理

將運(yùn)放的輸出與運(yùn)放的反相輸入端連接起來(lái)，這樣的方式被稱(chēng)為負(fù)反饋，負(fù)反饋運(yùn)放電路會(huì)很快達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓的幅值會(huì)很準(zhǔn)確的維持運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的壓差，這個(gè)壓差反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)確的運(yùn)放輸出電壓的幅值。這是使系統(tǒng)達(dá)到自穩(wěn)定的關(guān)鍵。

信號(hào)隔離電路輸入運(yùn)放電路可簡(jiǎn)化為如下形式(省略了與分析無(wú)關(guān)的部分元件)：

圖5 運(yùn)放負(fù)反饋放大電路

該電路為典型的負(fù)反饋放大電路，根據(jù)負(fù)反饋電路分析方法，正常工作時(shí)電路輸入輸出的增益G為：

其中：A為運(yùn)放電路開(kāi)環(huán)增益，F(xiàn)為反饋系數(shù)，AF為環(huán)路增益，即R2/R1，由于理想情況下運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益A?1，因此電路增益，即實(shí)現(xiàn)比例放大作用。

3.3.2 運(yùn)放電路自激振蕩原理

使用負(fù)反饋會(huì)改善線(xiàn)性度、增益穩(wěn)定、輸出阻抗、增益的精度，但使用負(fù)反饋同樣也會(huì)帶來(lái)一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，那就是降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

理論上當(dāng)電路中1+FA趨近于0時(shí)，|G|為無(wú)窮，即沒(méi)有信號(hào)輸入也會(huì)有波形輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。自激振蕩的引起，主要是因?yàn)榧蛇\(yùn)算放大器內(nèi)部是由多級(jí)直流放大器所組成，由于每級(jí)放大器的輸出及后一級(jí)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(jí)間就存在R-C相移網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)信號(hào)每通過(guò)一級(jí)R-C網(wǎng)絡(luò)后，就要產(chǎn)生一個(gè)附加相移。此外，在運(yùn)放的外部偏執(zhí)電阻和運(yùn)放輸入電容、運(yùn)放輸出電阻和容性負(fù)載反饋電容、一級(jí)多級(jí)運(yùn)放通過(guò)電源的公共內(nèi)阻、甚至電源線(xiàn)上的分布電感、接地不良等耦合，都可形成附加相移。結(jié)果，運(yùn)放輸出的信號(hào)，通過(guò)負(fù)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(fù)反饋轉(zhuǎn)變成正反饋，從而引起振蕩。

由于實(shí)際電路中，運(yùn)放的增益和相位移會(huì)隨信號(hào)頻率變化(即頻率響應(yīng))，當(dāng)信號(hào)頻率變化時(shí)，輸出信號(hào)和反饋信號(hào)會(huì)產(chǎn)生附加相位移。如果附加相位移達(dá)到±180°，則此時(shí)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，負(fù)反饋就會(huì)變成正反饋，反饋信號(hào)加強(qiáng)，當(dāng)反饋信號(hào)大于凈輸入信號(hào)時(shí)，即使去掉輸入信號(hào)也有信號(hào)輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。因此自激振蕩產(chǎn)生的條件為電路附加相位移達(dá)到±180°時(shí)，環(huán)路增益|FA|>1。

運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)電路參數(shù)保證電路附加相位移達(dá)到±180°時(shí)環(huán)路增益|FA|<1，電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。

當(dāng)印制板線(xiàn)路失效或其他原因?qū)е戮€(xiàn)路阻抗參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可能出現(xiàn)電路附加相位移達(dá)到±180°時(shí)，環(huán)路增益|FA|>1的情況，引起自激振蕩。使用電路仿真軟件對(duì)上述電路進(jìn)行仿真，電路見(jiàn)圖6，在運(yùn)放同相輸入端對(duì)GND的電容接地端串入10 M電阻(RX1)模擬印制板線(xiàn)路故障的情況，電路輸入輸出波形見(jiàn)圖7，可見(jiàn)輸出波形幅度接近供電電源電壓，驗(yàn)證了故障信號(hào)隔離電路確實(shí)產(chǎn)生了自激振蕩。

圖6 運(yùn)放負(fù)反饋放大電路仿真電路

圖7 運(yùn)放負(fù)反饋放大電路故障模擬仿真結(jié)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(xiàn)路故障的情況，使用示波器對(duì)輸出波形就行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)輸出波形會(huì)跟隨手按壓電容的力度不同而變化，故可定位于運(yùn)放電路C2、C3電容管腳接觸性問(wèn)導(dǎo)致運(yùn)放電路產(chǎn)生了自激振蕩，最終造成信號(hào)隔離電路輸出超差。

在運(yùn)輸、振動(dòng)等狀態(tài)下信號(hào)隔離電路發(fā)生輸出超差的故障概率會(huì)增大，故對(duì)于振動(dòng)環(huán)境要求比較嚴(yán)苛的工況，體積較大的元器件或工裝在振動(dòng)條件嚴(yán)苛的工況下更容易發(fā)生損壞，故可通過(guò)減小元器件和電路板的大小來(lái)增加電路的抗震能力，也可整機(jī)裝入減震機(jī)箱減少振動(dòng)干擾，建議對(duì)信號(hào)隔離電路板進(jìn)行一定量級(jí)的振動(dòng)試驗(yàn)篩選出質(zhì)量較差的電路板。

4 結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)隔離變換電路在工業(yè)環(huán)境中，特別是在實(shí)時(shí)精確控制和精密測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用越發(fā)廣泛。經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離變換電路處理過(guò)的信號(hào)可以將大部分的干擾濾掉，避免測(cè)量誤差及誤差導(dǎo)致的誤操作，使得測(cè)量結(jié)果更加精確。林掛電磁干擾的客觀(guān)存在，使信號(hào)在傳輸過(guò)程中難免因受到干擾而失真。如果現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)有強(qiáng)脈沖，信號(hào)隔離變換電路用于隔離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集到的信號(hào)和計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)，能夠起到緩沖的作用，避免設(shè)備受到強(qiáng)脈沖沖擊而損壞，這就使得信號(hào)隔離變換電路的存在更有意義。

本文提出的了一種信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)方法，信號(hào)隔離電路由電流輸入電路、單片機(jī)、輸出電路1、輸出電路2以及隔離電源電路組成。此電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，實(shí)用性強(qiáng)，能夠從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，切斷干擾通道，實(shí)現(xiàn)輸入、輸出、電源之間的電氣三端隔離，保證設(shè)備與操作人員安全，并基于此信號(hào)隔離電路，通過(guò)仿真驗(yàn)證給出了一種故障模式的機(jī)理分析和故障應(yīng)對(duì)策略措施，對(duì)于工業(yè)中信號(hào)隔離設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義[1-9]。