高压隔离采集电路的设计范文

《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