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高压隔离采集电路的设计

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《天津职业技术师范大学学报》2014年第二期

1主要参数的设计

1.1输入电阻电压传感器的输入信号为电压信号,需要用电阻转换成电流信号。TBV5/25A的测试电流范围为7mA,则有:在使用功率电阻时,因发热问题而影响电路的稳定性。因此,尽量留有余量,可选用200kΩ/3W(1±1%)的功率电阻,2个并联,得到100kΩ的电阻。需要注意的是,电阻的选择也必须从减小误差出发。电阻不稳定是造成分压器误差的一个重要原因,它的大小决定于所选电阻的温度系数,当工作时间较长时,必须考虑温度问题。

1.2测量电阻电压传感器的输出是电流信号,需要用电阻转换成电压信号。在传感器的技术手册上,给出的测量电阻最小为100Ω,最大为350Ω。本设计中将5个510Ω/0.5W(1±1%)的电阻并联,得到大约100Ω的测量电阻。若最大测量电压≤500V,则输出电流最大为25mA。P=I2R=252mA×100Ω=0.625W<2.5W(5)

2电路的实现及工作过程

2.1电源电路汽车中常用的电瓶电压为12V,电压传感器与运算放大器供电电源需要+15V和-15V,且不需要提供大功率。在本设计中,采用DC-DC升压,由变压器次级的两组绕组获得+15V和-15V,电压传感器所需电流较小,此电源可保证电路正常工作,电源电路如图1所示。

2.2高压采集电路图2所示为高压采集信号处理电路。测量电压经VIN+、VIN-输入,经电压传感器TBV5/25输出相应的电流,经测量电阻R12~R16,将电流转换为对应的电压,再经电压跟随器进行放大。调节R6,即可获得所需的比例系数。在测量直流时,传感器输入与最终输出电压的比例关系为:Af=(R5+R6)/R8(6)(1)隔离放大电路为防止后级放大电路对测量电阻的影响,本设计加入了一级电压跟随电路。该电压跟随器的输入阻抗高,输出阻抗低。当输入阻抗很高时,就相当于对前级电路开路,所以不会对电压传感器的输出电流分流,保证了测量电路的精度,同时,使前、后级电路之间互不影响。电压跟随器后的放大电路对经I/V转换后的电压进行放大,得到适合微处理器处理的电压信号。(2)运放的调零与补偿目前的芯片制作技术,为使集成度高、节约成本,对于双运放和四运放,内部调零已经取消。虽然运放内部的三极管电路采用差分输入、密勒电容等做了一定的补偿措施,可以暂时看成是一个单极点系统。但是,对于精度要求比较高的系统还是远远不够的。三极管的偏置电流导致了运算放大器的失调电流及失调电压的存在,即使没有输入信号,因为漂移也会有一定的输出量。当采集到的电压信号为交流信号时,就会对测量的精度造成很大的影响。所以本设计电路也加入了调零电路。R1、R2、R3、R4、R8、D1、D2组成调零电路。对于引入负反馈的运算放大器,输入端一般存在几皮法的寄生电容,包括运放的输入电容以及布线分布电容,它会与反馈电阻构成一个滞后网络,引起输出电压相位滞后,使得当输入信号的频率很高时,引起运放的高频响应变差。上限频率约为:Wh=1(/2πRC)。其中:R为反馈电阻;C为运放输入电容。从式中可知,若R的取值太大,上限频率就会严重下降,R与C同时引入,相位滞后可能会引起寄生振荡。若反馈电阻取值小,虽然上限频率会上升,但是放大倍数会下降。为了维持较高的放大倍数,可以在反馈电阻上并联补偿电容,2个RC网络构成了相位补偿,使相位超前量与滞后量得到相互补偿。本设计中,C1即实现此功能。运算放大器存在输出电容,输出电容与运算放大器的输出电阻即组成RC电路,产生附加相移。此附加相移累加满足振荡条件就会产生寄生振荡,使电路不稳定。解决方法:在运算放大器的输出端串联一个几百欧姆的电阻,与负载电容相隔离。本设计中,R10即实现此功能。

3实际电路及零漂测试

使用AltiumDesigner软件,绘制电路图并制作PCB板。对传感器这样的敏感器件,在线路布局时,要注意强电与弱电的分离以及抗干扰处理,布局合理且传感器信号处理部分要进行敷铜。本设计使用的实际电路如图3所示。在进行电路调试时,首先调试调零电路,保证在无输入时,输出为0V,不会因漂移而引起输出信号的失真,然后再对整个电路进行级联调试。电路中加入调零电路,因此需要进行零漂测试,意在说明调零电路的重要性。在本设计电路中,若不加入调零电路,用示波器探测输出波形,如图4所示。由图4可以看到,当输入电压为0V时,因电路中各分布参数等的影响,输出电压为19.375mV。在精度要求不高的场合,可以不加调零电路。本设计中加入调零电路,精度几乎可以达到100%。

4结束语

目前,高压采集电路已经应用于电动汽车试验平台、UPS实验平台等需要测试中压、高压的场合。为增加设计的实用性,设计时已综合考虑了其应用范围和使用环境的要求,可以直接用于测量交流中压、高压的场合。

作者:王新艳徐征王旭龙江绛李小鹏单位:天津职业技术师范大学汽车与交通学院

天津职业技术师范大学学报责任编辑:田老师    阅读:人次