一种高精度模拟信号隔离电路设计

朱诚 徐腾飞 金运昌 赵光锋 卢兆军

摘  要： 介绍AVAGO公司高精度线性模拟光耦器件ACPL?C87B的原理，提出一种应用于故障录波器模拟信号采集的隔离采样电路设计方案，采用输入/输出和电源三端隔离和直流偏置电压的方法，完成高精度隔离采样电路的设计，通过简单的电阻匹配来适用于直流、交流、电压和电流等多种输入信号，解决常用方案存在的价格高、易损坏的缺点。通过搭建隔离采样电路并对测试结果进行精确性分析，表明该电路可适用于多种信号输入，而且精度可以优于0.5%。

关键词： 模拟信号; 隔离电路设计; 电阻匹配; 信号输入; 测试实验; 精确性分析

中图分类号： TN911.34?34; TP391.4             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）06?0009?04

Design of high precision analog signal isolation circuit

ZHU Cheng1， XU Tengfei2， JIN Yunchang2， ZHAO Guangfeng3， LU Zhaojun3

（1.Shandong University， Jinan 250101， China; 2. Shandong University Electric Power Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China;

3. State Grid Shandong Electric Power Company， Jinan 250000， China）

Abstract： An isolated sampling circuit design scheme for analog signal acquisition of fault recorder is proposed by introducing the principle of ACPL?C87B， a high precision linear analog optocoupler made by AVAGO Company. The design of high?precision isolated sampling circuit is completed by means of the method of three?terminal isolation of input， output and power supply and DC bias voltage. The simple resistance matching is suitable for DC， AC， voltage， current and other input signals， which solve the high price and easy damage in the common used schemes. The isolated sampling circuit was built and the precision of the testing results were analyzed. It is shown that the circuit can be suitable for multiple signal inputs， of which the accuracy is better than 0.5%.

Keywords： analog signal; isolated circuit design; resistance matching; signal input; testing experiment; accuracy analysis

0  引  言

故障錄波器（也称为故障录波装置或电力系统动态记录装置）是一种常年投入运行的自动记录设备，用于监测电力系统的运行状况，其被称为电力系统的“黑匣子”。故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种装置，它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有功、无功及系统频率的全过程变化现象。因此故障录波器需要采样变电站内的变压器或母线上的交流电压、交流电流、直流电压和直流电流等多种形式和多种输入范围的信号，这些信号输入范围宽、精度要求高。其中交流电压信号和交流电流信号一般采用电压互感器和电流互感器将大信号转换为电压小信号送到ADC中进行转换和处理，而直流电压和直流电流信号一般采用隔离模块进行采样，主要有变压器隔离（磁隔离）和光电隔离（线性光耦）等方案[1?3]。

目前，故障录波器产品中常用的直流信号采样方案中，变压器隔离多采用ADI公司的AD210三端隔离放大器。AD210优点是精度高、频带宽、体积小、输入/输出和电源三端隔离，缺点是价格较高，容易损坏。光电隔离多采用线性光耦HCNR201，其优点是电路成熟，成本可控，缺点是功耗高、温漂大、电路复杂、精度差[4?5]。

基于常见方案的缺点，本文采用AVAGO公司新推出的ACPL?C87B线性光耦器件，设计一种高精度的模拟信号隔离采样电路。

1  ACPL?C87B的构成和工作原理

ACPL?C87B是AVAGO公司推出的采用特别面向电压感应优化Sigma?Delta调制技术的光隔离放大器产品，具有0.5% 高增益精确度，1 V/V单位增益，-35 ppm/°C

低增益漂移，0.1%误差线性度，1 GΩ输入阻抗等优点[6]。ACPL?C87B由一个发光二极管和一个光敏二极管组成，单端输入，差分输出。输入信号经过电压?电流转化，电压的变化体现在发光二极管的电流[IF]上，光敏二极管的电流[IPD]与[IF]成线性关系，设线性系数为K，有：

C87B输入电压范围为0～2 V，差分输出的共模电压VOCM为1.23 V，放大系数[7?8]为1。设光耦的输入电压为Vi，输出正端电压为Vout+，输出负端电压为Vout-，输出电压为Vout，则：

综上所述，C87B的输入和输出比例系数为1。

2  隔离采样电路设计

2.1  总体方案设计

故障录波器模拟隔离采样电路需采样的模拟信号主要有交流电压（0～180 V）、直流电压（-500～500 V）、高频直流电压（0～20 V）和直流电流（0～20 mA）等，要求设计的隔离采样电路能满足上述信号的采样。

实现方案如图1所示，整个电路分为输入、输出和电源共3个部分。

输入部分的功能是将上述不同类型和范围的信号转换为C87B额定的输入，即0～2 V。输出部分的功能是将C87B输出的差分信号转换为单端信号，其输出范围为后端ADC额定输入范围为-5～5 V。电源部分的功能是将电源经过两个互相隔离的隔离电源模块生成隔离电源分别供输入部分和输出部分使用，使电源、输入和输出3个部分三端隔离。

为了减小零漂，提高精度，采样电路中的电阻都选用0.1%精度，TCR=10 ppm/℃。

2.2  输入部分电路设计

输入部分的功能是将不同种类的信号转换为C87B的额定输入。为了满足不同类型和输入范围的信号，只能通過电阻匹配的方式，即一种信号对应一组电阻，通过不同阻值来匹配不同输入信号[9?10]。

另外考虑C87B输入范围为0～2 V，直流负压和交流信号输入时必须要在运放处增加1 V直流偏置电压。具体电路如图2、图3所示。

在图2中RI1的功能是将输入的电流转为电压信号。R1，R2，RI2和RI3和U2A组成标准的差分放大电路，其中R1=R2=4.99 kΩ，RI2=RI3，根据输入信号进行配置，Vref是1 V直流偏置电压。

1 V直流偏置电压采用了TL431芯片。TL431是TI生产的具有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从2.5～36 V范围内的任何值。TL431输出2.5 V基准电压，经过10 kΩ和15 kΩ电阻分压，产生1 V电压，再经过运放跟随器后接入输入差分运放电路同向输入端。

输入运放选择了ADI公司的AD822。AD822是一款双通道、精密、低功耗、FET输入运算放大器，可以采用5～30 V单电源或±2.5～±15 V双电源供电，最大800 μV的失调电压，2 μV/°C的失调电压漂移，小于25 pA的输入偏置电流以及低输入电压噪声，源阻抗最高可达1 GΩ。

本电路中，AD822中一个通道用于生成1 V直流偏置电压，另一个通道构成差分放大电路。

根据典型运放放大电路计算公式，在输入信号为电压信号时，RI1不焊，运放输出电压（即光耦输入电压）为：

在输入信号为电流信号时，[RI2]焊接15 Ω，运放输出电压（即光耦输入电压）为：

在实际使用时，可以选择[RI1]，[RI2]，[RI3]的阻值来适应不同类型输入信号。

0～180 V交流电压输入时，[RI1]不焊。IN峰值输入范围[Vi∈-254.52 V，254.52 V]，运放输出电压（光耦输入电压）[VIN∈0 V，2 V]。

[RI2]，[RI3]至少选用1.27 MΩ以上，采样电路才能采样0～180 V交流电压，实际应用中选择1.5 MΩ。

以此类推，其余输入信号的采样电阻如表1所示。

2.3  输出部分电路设计

C87B输出为差分输出，共模电压为1.23 V，放大系数为1，差分输出电压范围为[0，2 V]，输出正端电压输出范围为[1.23 V，2.23 V]，输出负端电压输出范围为[0.23 V，2.23 V]。因此同样采用差分放大电路，运放同样选用AD822，一个通道用于生成-4.5 V直流偏置电压，另一个通道构成差分放大电路。考虑到后端ADC输入范围为[-5 V，5 V]，为了提高精度，减小误差，差分放大电路放大比例为4.5倍，再加上-4.5 V的直流偏置电压。电路图如图4和图5所示。

根据差分运放电路计算公式：

因此整个隔离采样电路中可以采样负压，输出负压。输入为0时，输出为0。

以0～180 V交流电压输入为例，计算过程如下：

其他输入信号以此类推，符合C87B光耦和电路设计要求。

2.4  隔离电源电路设计

为了减少电源对输入和输出部分的影响，采样电路采用电源部分和输入部分、输出部分三端隔离的设计思想，C87B两侧电源都是5 V供电，另外考虑零漂问题，AD822运放采用双电源供电，因此需要同时输出±5 V的隔离电源，经研究，选用了金升阳公司的A1205S?1WR2隔离电源模块。A1205S?1WR2是广州金升阳公司生产的隔离电源模块，额定输出功率1 W，12 V输入，隔离非稳压±5 V双路输出。隔离电压达到1 500 V，电路设计简单，具体电路如图6所示。图6中5 V_ISO1和-5 V_ISO1是输出部分电源，5 V_ISO2和-5 V_ISO2是输入部分电源。

3  试验测试与结果分析

根据模拟信号隔离采样电路设计原理，搭建测量电路并对其精度进行分析，接入故障录波器，在实时监视中监测采样值记录并计算相对误差，测试结果见图7～图12。

在图7中，在[-20 mA，20 mA]范围内，最大相对误差为4 mA输入时的0.01%。最大误差小于0.5%。

图8中，在[-20 V，20 V]范围内，最大相对误差为6 V输入时的0.083%，最大误差小于0.5%。

图9中，在[-500 V，500 V]范围内，最大相对误差为-400 V输入时的0.32%。最大误差小于0.5%。

交流电压输入时，按照《DL/T 553?2013 电力系统动态记录装置通用技术条件》的要求装置应具有25次及以下谐波分析能力，分析误差不应大于5%。因此交流电压输入时，不但要测试工频精度，还需要测试25次及以下谐波精度。在图10中，工频输入时，在[0 V，180 V]范围内，最大相对误差为18 V输入时的0.083%。最大误差小于0.5%。谐波测试时，输入额定Un为57.735 V/50 Hz，各次谐波含量为20%Un即11.547 V。

由图11和图12可知，25次谐波及以内，最大谐波误差为25次谐波时的1.498%。50次以内最大諧波误差为50次谐波时的5.802%。由图7～图12可以看出，本文设计的模拟信号隔离采样电路在各种输入信号和范围时，精度较高，达到了设计要求。

4  结  论

本文基于线性光耦ACPL?C87B的研究提出了一种模拟信号隔离采样电路方案。此方案将输入/输出和电源部分隔离，通过简单的电阻匹配适应用交直流电压和直流电流等信号。并根据此方案搭建了试验电路，根据相关标准对各种输入信号的采样结果进行测试。测试结果证明了本文提出的采样方案具有很高的精度。目前本方案已经在我司装置上批量使用，并得到了良好的使用效果。

参考文献

[1] 马文宁.基于CD4046锁相环的电压隔离采样电路设计[J].现代导航，2019（3）：228?231.

[2] 郑波祥.输出可调I/V隔离转换电路设计及分析[J].工业控制计算机，2017，30（12）：153?154.

[3] 刘希高，凌春晖，吕馥言，等.基于HCNR201的高精度模拟信号隔离电路设计[J].仪表技术与传感器，2017（1）：147?150.

[4] 张岩，秦晓芳，刘根水.光耦在直流电机驱动系统中的应用[J].电子技术，2017，46（10）：67?70.

[5] 王振，丁立波，张合.一种基于HCNR201的高精度绝缘检测电路[J].自动化技术与应用，2018，37（5）：86?89.

[6] Broadcom. ACPL?C87B， ACPL?C87A， ACPL?C870 precision optically isolated voltage sensor data sheet [CP/DK]. Irvine， USA： Broadcom， 2019.

[7] Broadcom. EVBD?ACPL?C87B/C87A/C870 isolated voltage sensor evaluation board [CP/DK]. Irvine， USA： Broadcom， 2013.

[8] Broadcom. Optocouplers ensure safety and enable efficiency in electric vehicle charging stations [CP/DK]. Irvine， USA： Broadcom， 2016.

[9] 郑波祥.宽温工作的HCNR201隔离式调理电路设[J].电子测量技术，2018，41（10）：132?136.

[10] 肖业伟，王正强，吴称列.基于线性光耦HCNR201隔离电路的低温漂研究[J].信息技术，2016（3）：69?72.