核电站辐射监测系统BDCDE2DI型信号IO模块研发

2019-05-05吴惠坚

仪器仪表用户 2019年5期

吴惠坚

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

本研发的目的是解决在核电站运行过程中，缺乏相应地将电流信号转换为电压信号设备的技术问题，提供了一种可以实现将输入的相互独立的两路电流信号转换成对应的两路电压信号进行输出，并将输入和输出信号进行隔离，避免相互干扰的核电站辐射监测系统BDCDE2DI型信号I/O模块[1]。

图1 输入电流信号转换及隔离电路Fig.1 Input current signal conversion and isolation circuit

图2 直流电压起振电路Fig.2 DC voltage vibration circuit

1 电路描述

1.1 输入电流信号转换及隔离电路[2]

如图1所示，输入电流信号转换及隔离电路包括第一接插件J1、第3电容C3、第4电容C4、第27电容C27、瞬态抑制二极管D7、第10电阻R10、第11电阻R11、第12电阻R12和隔离放大器U1。

输入电流信号转换及隔离电路[3]的工作原理如下：

0mA～20mA电流信号通过第一接插件J1（1和4管脚，其中1接输入电流的正端，4接输入电流的负端；2和3管脚是悬空不用的，当时主要是考虑将来该模块功能扩展，此处目前不用）进入输入电流信号转换及隔离电路，0mA～20mA电流信号通过第一接插件J1的1引脚输出，流经第10电阻R10、第12电阻R12到信号地，经过第10电阻R10和第12电阻R12分压后向隔离放大器U1的15引脚输出0V～2.2V的电压信号。隔离放大器U1接收0V～2.2V电压信号，经过1倍增益放大后通过引脚7输出0V～2.2V电压信号，该电压信号输出给运算放大偏置及输出电路。C27、C3、C4作用是滤波，C27滤除输入电流信号中的噪声，C3和C4分别用来滤除+12V和-12V电源端的噪声，使电源更稳定，D7是TVS二极管，用来对后端电路进行保护，防止输入电流信号的过冲和超出标称范围。

第一接插件J1采用菲尼克斯的ME 22、5 OT-MSTBO SET配套插件实现，瞬态抑制二极管D7采用SMAJ10CA-TR实现，隔离放大器U1采用ISO124P-DIP16实现。

1.2 直流电压起振电路[3]

如图2所示，直流电压起振电路包括第3接插件J3、热敏电阻RT1、第1二极管D1、电感L1、第10电容C10、第11电容C11、第12电容C12、第13电容C13、第B电容CB、第2电阻R32、第3电阻R33、第4电阻R34、第1三极管N1和第2三极管N2。

直流电压起振电路的工作原理如下：24V的直流电压信号通过第3接插件J3进入直流电压起振电路（J3的2和3管脚，其中管脚3接24V+端，管脚2接输入电源地，管脚1是接电路板上整个处理系统的地，如运放、+12V，-12V电源等的地；管脚4悬空未用，方便将来进行功能扩展，此处无用），经过第2电阻R32和第3电阻R33分别给第1三极管N1和第2三极管N2的基极施加正向偏置。上电后第1三极管N1先导通，第1三极管N1导通后其集电极电压降低至接近电源地的电压，经过第12电容C12耦合至第2三极管N2的基极，拉低第2三极管N2的基极电压，使其低于导通电压，阻止第2三极管N2的导通。然后第12电容C12通过第3电阻R3进行正向充电，逐渐增大第2三极管N2的基极电压，直至该电压达到第2三极管N2的导通电压后，第2三极管N2导通。此时第2三极管N2的集电极电压与发射极电压接近电源地电压，通过第11电容C11耦合至第1三极管N1的基极，使第1三极管N1的基极电压低于导通电压，进而使得第1三极管N1关断。第1三极管N1和第2三极管N2以此顺序依次导通和关断，在直流电压起振电路的输出端形成近似方波电压信号。第1二极管D1用于防止电源接反对电路的损害，起到保护作用。电感L1、第10电容C10和第B电容CB构成LC滤波电路。热敏电阻RT1用于对电源和电路板的保护，防止24V电源短路等故障出现。

第3接插件J3采用菲尼克斯的ME 22，5 OT-MSTBO SET配套插件实现，热敏电阻RT1采用RXEF010实现，第1二极管D1采用1N4148实现，第1三极管N1和第2三极管N2均采用2N5551实现。

1.3 双电压稳压输出电路[4]

如图3所示，双电压稳压输出电路包括变压器T1、第A电容CA、第1电容C1、第2电容C2、第6电容C6、第7电容C7、第14电容C14、第15电容C15、第18电容C18、第19电容C19、第2二极管D2、第3二极管D3、第4二极管D4、第5二极管D5、第5三端稳压电路V5、第6三端稳压电路V6、第7三端稳压电路V7和第8三端稳压电路V8。

双电压稳压输出电路的工作原理如下：变压器T1接收直流电压起振电路输出的近似方波电压信号，通过变压器T1的两组副边绕组输出两路相互隔离的交流电压，每组交流电压4个三端稳压电路进行线性调整后，输出两组相互隔离的±12V电源，两组电源分别为电流信号转换及隔离电路和运算放大偏置及输出电路供电[3]。

图3 双电压稳压输出电路Fig.3 Dual voltage voltage stabilizer output circuit

图4 运算放大偏置及输出电路Fig.4 Operational amplification bias and output circuits

变压器T1采用三端输入，耦合两路输出的变压器实现，第5三端稳压电路V5和第7三端稳压电路V7均采用LM79L12实现，第6三端稳压电路V6和第8三端稳压电路V8均采用LM78L12实现。C14、C15、C18、C19所用电容为10UF电容，容值较大，电解电容容值范围宽，10UF容值较多，其它种类电容容值达到10UF的较少或体积较大，不方便使用。

1.4 运算放大偏置及输出电路[1]

如图4所示，U3B的7引脚与R5应连通（电路上确实是连通的）；电位器加引脚，P1左端为1引脚，右端为3引脚，滑动端为2引脚，P2上端为1引脚，下端为3引脚，滑动端为2引脚，运算放大偏置及输出电路包括第5电阻R5、第6电阻R6、第7电阻R7、第8电阻R8、第9电阻R9、第25电容C25、第6电容C6、第1稳压源V1、第2稳压源V2、第1电位器P1、第2电位器P2、第1运算放大器U3A和第2运算放大器U3B[4]。

运算放大偏置及输出电路的工作原理如下：利用TL431和电位器P2构成一个精密的电压调节电路。通过调节电位器使得放大器电路的输入端（U3A的3脚）得到稳定的0V电压，输出端（U3B的7脚）也同样输出一个稳定的0V电压，同时可调节电位器P2得到运放工作状态下的稳定偏置和失调电压。将输入电流信号转换及隔离电路中隔离放大器U1输出的电压信号输入到运算放大器U3B的正向输入端，调节放大增益电位器P1即可得到对应于输入0mA～20mA电流信号的输出电压值，并得到达到良好的线性度。隔离放大器ISO124变送来的0V～2.2V电压，进行放大成0V～5V电压，电压增益约为2.26。

第1稳压源V1和第2稳压源V2均采用TL431A实现，第1运算放大器U3A和第2运算放大器U3B均采用AD827JN实现。

表1 通道1性能测试表Table 1 Channel 1 performance test table

表2 通道2性能测试表Table 2 Channel 2 performance test table

2 调试方法及结果

2.1 调试方法步骤

直流稳压电源用来给装置提供+24VDC工作电压。信号源调节至电流输出模式，输出正负端分别接至BDCDE2DI型信号I/O模块正负输入端，然后在输出端用万用表进行输出电压测量。两路输入通道1IN和2IN相互独立，可分开来进行测试。因此，仅用1个信号源和1块数字万用表即可进行一路测试，测试完一路通道后再接至另一路进行测量。将板卡连接到电源的输出上，通电。

1）零点调整

①设定通道1的输入电流为0mA，调节P4电位器，直到通道1的输出＜10mVDC。

②设定通道2的输入电流为0mA，调节P2电位器，直到通道2的输出＜10mVDC。

2）满量程调整

①设定通道1的输入电流为20mA，调节P3电位器，直到通道1的输出在5VDC±0.2%范围内。

②设定通道2的输入电流为20mA，调节P1电位器，直到通道2的输出在5VDC±0.2%范围内。