本文提出了一種基于線性光耦的核電廠安全級DCS模擬量信號隔離器的設(shè)計(jì)方案，通過對電路的原理設(shè)計(jì)以及器件的選型，使得該方案具有電路簡潔、精度高、溫漂小、響應(yīng)時(shí)間短、制造成本低等優(yōu)勢。該模擬量信號隔離器在核電廠安全級DCS系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。
隨著DCS控制系統(tǒng)在核電中的應(yīng)用發(fā)展，對DCS系統(tǒng)的安全性和可靠性的要求也越來越高。DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場端采用的模擬儀表變送器單元，將現(xiàn)場信號以模擬量的形式輸入系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化處理。由傳感器轉(zhuǎn)換的模擬量通常以較微小的電壓量為主，但是在傳輸過程中容易受到干擾，對數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性造成影響。因此，需要將微小電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號進(jìn)行傳輸，工業(yè)領(lǐng)域通常將模擬量信號轉(zhuǎn)換為4-20mA電流進(jìn)行傳輸。對于DCS系統(tǒng)，同一傳感器的模擬量需要供給不同的板卡，甚至不同的機(jī)柜，所以需要一種對模擬量的隔離和分配的模擬量信號隔離器，避免不同板卡和不同機(jī)柜之間的相互影響。
目前，應(yīng)用于DCS控制系統(tǒng)的模擬量信號隔離器有較多種類，比如昌暉儀表制造有限公司YR9034A，包括利用變壓器隔離性放大器進(jìn)行隔離分配、利用電容性隔離放大器隔離分配，利用線性光耦隔離型放大器進(jìn)行隔離分配等隔離方式。
本文介紹了一種基于線性光耦的核電廠安全級DCS模擬量信號隔離器，本模擬量信號隔離器通過對電路的設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)的選擇實(shí)現(xiàn)高精度、低溫漂、響應(yīng)時(shí)間短、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。
1、設(shè)計(jì)概要
本文設(shè)計(jì)的模擬量信號隔離器，實(shí)現(xiàn)1路4-20mA電流輸入，4路4-20mA電流輸出的功能，功能類似使用與DCS系統(tǒng)的一入四出信號隔離器YR9024A。通道之間的隔離能力為1500Vpeak/1min＜5mA，通道與系統(tǒng)之間的隔離能力為1500Vpeak/1min＜5mA。輸出20mA的帶負(fù)載能力為750Ω?，F(xiàn)場變送器輸入的4-20mA電流經(jīng)過輸入保護(hù)電路后經(jīng)過100Ω的采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換為0.4V-2V的電壓信號。電壓信號輸入4個(gè)線性光耦進(jìn)行信號隔離，隔離后的電壓經(jīng)過V/I變換，轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號輸出。其硬件原理如圖1所示。
圖1 模擬量信號隔離器硬件原理示意圖
由于線性光耦的傳輸比受器件制造的影響，不同器件個(gè)體具有差異性，通過進(jìn)行反饋電路的設(shè)計(jì)可以將線性度顯著提高；在V/I轉(zhuǎn)換電路中，部分參數(shù)對轉(zhuǎn)換精度有較大影響，通過對器件參數(shù)的選擇，可以將轉(zhuǎn)換精度提高；由于模擬器件對溫度的變化比較敏感，通過對器件的選擇，可以降低溫漂，保證通道的精度。
2、輸入隔離通道的設(shè)計(jì)
①通道供電電路設(shè)計(jì)
該模擬量信號隔離器硬需要+24V電源、+5V電源，其中電源對于隔離兩側(cè)的供電部分需要相互隔離。輸入的+24V直流電源通過熱插拔以及過壓欠壓保護(hù)電路后，經(jīng)過5組隔離DC/DC模塊轉(zhuǎn)換為5路相互隔離的+24V電源，這5路+24V電源再經(jīng)過5個(gè)LDO轉(zhuǎn)換為5組相互隔離的+5V電源。其中一路為隔離輸入端供電，另外4路分別為輸出的4路隔離通道供電，如圖2所示。
圖2 模擬量信號隔離器通道供電示意圖
② 輸入端電路設(shè)計(jì)
輸入通道將4-20mA電流通過100Ω采樣電阻轉(zhuǎn)換為0.4V-2V電壓信號。為了保證電路的精確性，采樣電阻采用0.01%精度，±5ppm溫漂的高精密電阻。為了防止意外的大電流輸入對模擬量信號隔離器通道供電示意圖通道造成損壞，在輸入路徑上串聯(lián)一個(gè)50mA的保險(xiǎn)絲。同時(shí)，為了防止輸入電流信號反接，在輸入路徑上串聯(lián)一個(gè)防反二級管。為了抑制信號傳輸過程中可能引入的共模干擾，在回路中串聯(lián)一個(gè)共模電感，起到抑制干擾的作用。具體原理如圖3所示。
圖3 模擬量信號隔離器輸入端電路原理圖
③隔離電路設(shè)計(jì)
本模擬量信號隔離器的信號隔離基于線性光耦的特性。由線性光耦的制造特性可知，在同一個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)光敏二極管，從制造工藝上保證兩個(gè)光敏二極管接受到發(fā)光二極管的光照相同，將一個(gè)光敏二極管放置在隔離輸入端，另一個(gè)二極管放置在隔離輸出端，形成反饋電路，這樣可以使非線性度降低到0.01%，為信號的精確傳輸提供了可靠保證。模擬量信號隔離器隔離電路原理圖如圖4所示。
圖4 模擬量信號隔離器隔離電路原理圖
根據(jù)模擬量信號隔離器電路的原理圖可知，由采樣電阻轉(zhuǎn)換的電壓U通過R1輸入運(yùn)放的負(fù)輸入端。根據(jù)運(yùn)放的虛短特性，輸入電流通過R1流入線性光耦原邊的光敏二極管。于此同時(shí)，在放大器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓，使得線性光耦的發(fā)光二極管發(fā)光，原邊光敏二極管接受到光線會產(chǎn)生一個(gè)微小的電流IPD1。同時(shí)，使得放大器的負(fù)輸入端產(chǎn)生一個(gè)微小的電壓形成負(fù)反饋。當(dāng)電路達(dá)到平衡時(shí)，輸入電壓U保持不變的狀態(tài)下，流過發(fā)光二極管的電流IF保持穩(wěn)定，流過光敏二極管的電流IPD1也保持穩(wěn)定。直到U變化時(shí)，重復(fù)上述過程，至再次穩(wěn)定的狀態(tài)。
副邊的光敏二極管在發(fā)光二極管的照射下產(chǎn)生一個(gè)微小的電流IPD2，電流通過放大器的反饋電阻輸出電壓Vout。為了保證輸入U(xiǎn)和輸出Uout相等，通過數(shù)字電位計(jì)對放大器U3的反饋電阻進(jìn)行調(diào)整，數(shù)字電位計(jì)的阻值為Rx。定義 K1=IPD1/IF，K2=IPD2/IF。
根據(jù)電路原理可以計(jì)算出Uout=K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)由此可知，為了保證輸出電壓Uout和輸入電壓U相等，需要保證K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)=1。由于器件的制造存在偏差導(dǎo)致K2/K1≠1，R3和R1為定值，所以需要調(diào)整Rx，來保證K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)=1。
為了保證數(shù)據(jù)的傳輸精度，需要對基本電路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在放大器U1的輸出端和負(fù)輸入端之間增加一個(gè)電容C1能夠使輸入的信號更加穩(wěn)定。在放大器U3的反饋電阻(R3+Rx)兩端并聯(lián)一個(gè)電容C2，對相位進(jìn)行補(bǔ)償，避免因?yàn)榉糯笃鬏斎爰纳娙菰斐傻南辔粶笏鶎?dǎo)致的電路震蕩。同時(shí)，在U3輸出端使用下拉電阻，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。
根據(jù)線性光耦的特性可知，K2/K1具有-65ppm的溫漂，為了減弱甚至抵消線性光耦溫漂的影響，通過對R1和R3電阻的選型來調(diào)整。選取正溫漂參數(shù)的電阻R3和負(fù)溫漂參數(shù)的電阻R1，通過對電阻溫漂的調(diào)整，抵消光耦溫漂的影響。在R2的電阻選擇上也需要注意，保證IF的電流在線性光耦的理想工作區(qū)間。
由于公式Uout=K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)是在運(yùn)放U1的開環(huán)增益趨于無窮大的理想情況下推導(dǎo)出來的，所以在運(yùn)放U1的選擇上需要注意，選擇開環(huán)增益大的精密運(yùn)放，開環(huán)增益最好不小于120dB。另外，對于放大器的輸入偏置電壓選擇需要注意，偏置電壓應(yīng)該10μV量級，為了控制溫漂，需要偏置電壓隨溫度的影響要小。
在U1和U3運(yùn)放的選型上，需要選擇噪聲密度小的，并且選擇噪聲對開關(guān)增益影響小的運(yùn)放。同時(shí)，為了保證精度，對放大器的+5V供電電源需要控制紋波的幅度，為了降低對紋波的影響，需要對運(yùn)放的電壓抑制比進(jìn)行選擇。由于運(yùn)放的電源電壓的變化會影響輸入差分電壓的偏置點(diǎn)，運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)的匹配性誤差，輸入差分電壓的偏置點(diǎn)的改變會引起輸入失調(diào)電壓的改變，同時(shí)導(dǎo)致輸出電壓的變化，影響電路的精度。在EDA設(shè)計(jì)的時(shí)候也需要對運(yùn)放的電源以及旁路電容的布置予以考慮，避免由PCB上引入更多的干擾影響模擬量信號隔離器轉(zhuǎn)換的精度。
④輸出電路設(shè)計(jì)
模擬量信號隔離器輸出電路采用V/I轉(zhuǎn)換電路，將線性光耦隔離輸出的0.4V-2V電壓轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出。該電路由兩個(gè)運(yùn)放和一個(gè)三極管以及相關(guān)的匹配電阻構(gòu)成。具體電路如圖5所示。根據(jù)電路可以得到以下方程組
-----------------------------公式(1)
-----------------------------公式(2)
V1=V3 -----------------------------公式(3)
------------------------------公式(4)
由方程(1)可以推導(dǎo)出
---------------------公式(5)
---------------------公式(6)
由方程(2)、(3)可推導(dǎo)出
---------------------公式(7)
由方程(4)、(5)、(7)可以推導(dǎo)出電流和各個(gè)參數(shù)的關(guān)系
---------------------公式(8)
根據(jù)公式(8)可以知道，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，輸出電流值I只與R5相關(guān)；當(dāng)R5等于采樣電阻時(shí)，輸出電流等于輸入電流。且負(fù)載的變化對電流輸出沒有影響。當(dāng)R1≠R2≠R3≠R4時(shí)，電流I與輸出電壓VIN呈非線性關(guān)系。并且當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，導(dǎo)致V4發(fā)生變化，根據(jù)公式(6)可知，V1會根據(jù)V4的變化而變化。
當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，導(dǎo)致V4增大，根據(jù)公式(6)V4增大導(dǎo)致V1增大。根據(jù)公式(8)可知，當(dāng)R4×R1＞R3×R2時(shí)，輸出電流I隨著負(fù)載增加而增大。同理，當(dāng)R4×R1＜R3×R2時(shí)，輸出電流I隨著負(fù)載增大而減小。負(fù)載的增大會導(dǎo)致V4增大，由于經(jīng)過負(fù)載的電流為I和經(jīng)過R5的電流相同，設(shè)負(fù)載的大小為N×R5，則V4=I×N×R5。
---------------------公式(9)
由公式(9)可知，該電路的精度主要受到R1、R2、R3、R4這4個(gè)電阻阻值的影響?？紤]電阻的誤差，在電阻精度為0.1%的條件下。
考慮任意一個(gè)電阻存在0.1%的誤差。當(dāng)R4或者R3中有任意電阻為0.1%時(shí)，由于
---------------------公式(10)
---------------------公式(11)
---------------------公式(12)
在該極限條件下，VIN的輸入可以通過調(diào)整數(shù)字電位計(jì)的阻值改變線性光耦的轉(zhuǎn)換系數(shù)，進(jìn)行一定程度的消除。
VIN在輸入電流為20mA的條件下為2V，V4的值根據(jù)負(fù)載的變化而變化，負(fù)載越大V4值越大，在輸出20mA的條件下負(fù)載為N×R5，產(chǎn)生的誤差為(N+1)×0.05%。根據(jù)需求負(fù)載的最大值為750Ω，故理論計(jì)算的誤差最大值為0.425%。不滿足精度要求。更換精度為0.01%的電阻條件下，由于
---------------------公式(13)
---------------------公式(14)
故有
---------------------公式(15)
VIN在輸入電流為20mA的條件下為2V，V4的值根據(jù)負(fù)載的變化而變化，負(fù)載越大V4值越大，在輸出20mA的條件下負(fù)載為N×R5，產(chǎn)生的誤差為(N+1)×0.005%。根據(jù)需求負(fù)載的最大值為750Ω，故理論計(jì)算的誤差最大值為0.042%。滿足精度要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中對R1、R2、R3、R4進(jìn)行匹配篩選，可以使V/I的轉(zhuǎn)換精度達(dá)到±0.01%。
3、組件的整體誤差分析
模擬量信號隔離器的誤差來源主要是兩個(gè)部分，線性光耦的隔離部分和V/I轉(zhuǎn)換部分。
線性光耦的非線性度在±0.01%以下，在電壓隔離傳輸過程中，根據(jù)圖4可知，電壓傳輸比由數(shù)字電位計(jì)U4控制。數(shù)字電位計(jì)提供的電阻為Rx，根據(jù)電路原理可以計(jì)算出
---------------------公式(16)
通過調(diào)整數(shù)字電位計(jì)RX的值，使得VOUT=VIN。但是，由于數(shù)字電位計(jì)對于電阻的變化是不連續(xù)的，所以必然會引入誤差。如果R1選用200K的電阻，數(shù)字電位選用滿量程50K，1024分辨率的型號，數(shù)字電位的最小步進(jìn)值為48.8Ω，由計(jì)算可知，數(shù)字電位計(jì)產(chǎn)生的最大誤差為±0.024%。
光耦的非線性誤差，數(shù)字電位計(jì)的數(shù)字誤差，V/I轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換誤差的相互關(guān)系為乘積關(guān)系。根據(jù)誤差合成理論，N個(gè)乘積關(guān)系的誤差符合公式(17)的合成關(guān)系。
---------------------公式(17)
故可以得出，組件的合成誤差為±0.075%。保證了組件的誤差控制在0.1%。
本文設(shè)計(jì)的基于線性光耦的模擬量信號隔離器，完成了單板的測試以及平臺的聯(lián)合測試，本文設(shè)計(jì)的基于線性光耦的模擬量信號隔離器可以達(dá)到通道間隔離耐壓1500Vpeak/1min＜5mA、轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.1%FS/25℃、溫漂小于0.01%FS/℃、響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于800μs的預(yù)期的指標(biāo)，具有高精度、低溫漂、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，這種模擬量信號隔離器在核電領(lǐng)域安全級DCS平臺上具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
作者：中國核動力研究設(shè)計(jì)院 王松、劉明星、梁建、馬權(quán)
