一種模擬信號的遠距離隔離傳輸方法

朱藝鋒

一種模擬信號的遠距離隔離傳輸方法

朱藝鋒

工業現場中，有時需要將傳感器轉換后的模擬信號傳到控制中心進行AD轉換后再送到控制器進行處理。提出了一種適用于高壓環境下遠距離傳輸模擬信號的方法：利用AD650構成壓頻和頻壓轉換電路，先將模擬信號經壓頻電路線性變成一定頻率的方波脈沖列，并經光纖傳輸到遠處的控制中心。在控制中心再將脈沖列送入頻壓轉換電路還原成電壓信號，最終送入AD芯片轉換成數字信號送入控制器進行處理。詳細設計了電路結構和參數，并進行了實驗。實驗結果表明，設計方案可以有效地遠距離傳輸模擬信號，既無衰減，又有良好的抗干擾能力。傳輸過程中的延時可控制在20us以下。

模擬信號；隔離傳輸；壓頻轉換；頻壓轉換

0 引言

在計算機測控系統中，快速準確地捕捉現場參數是進行有效控制的基礎。測控系統中，計算機與被控對象往往有一定距離,電磁干擾不可避免地要混入連接導線[1-2]。特別在像磁懸浮列車那樣控制對象和控制系統遠距離分離的場合，需要將傳感器轉換后的模擬信號傳輸到控制中心進行AD轉換后再送到控制器進行處理。為了消除這些干擾，除了合理地處理接地問題外[3]，還必須使輸入電路與輸出電路彼此隔離，并對信號進行遠距離傳輸[4]。模擬信號隔離傳輸的方法分為直接隔離法和間接隔離法，直接隔離法分為變壓器隔離法和光電隔離法，間接隔離法又有隔離放大器法和調制解調法。其中直接隔離法原理簡單但是傳輸距離短，調制解調法傳輸距離長，但是傳輸精度低。相比較而言，采用壓頻轉換器，以頻率形式傳輸模擬信號是遠距離傳輸模擬信號而又不損失精度的最好解決方法[5]。但文獻[1-6]都沒有對模擬信號的遠距離隔離傳輸進行系統的實驗研究，僅限于理論分析，對于隔離傳輸的具體性能沒有論述。本文利用AD650構成壓頻和頻壓轉換電路，先將模擬信號轉換成 ±5V，后經壓頻轉換線性變成一定頻率的方波脈沖列，經光纖傳輸到遠處的控制中心，接著再將脈沖列送入頻壓轉換電路還原成電壓信號，最終送入ADC芯片轉換成數字信號送入控制器進行處理。通過詳細的實驗研究，深入分析該系統的工作性能。

1 系統構成及工作原理

如圖1所示：

圖1 模擬信號遠距離隔離傳輸系統框圖

功率變流器的模擬信號遠距離隔離傳輸系統主要有四部分組成，即電壓采樣、壓頻轉換(VFC)、光纖傳輸和頻壓轉換(FVC)。電壓采樣部分完成從功率變換器如PWM整流器上取出整流器輸入側線電壓信號，經電流傳感器LEM變換和電阻采樣后得到±5V的SPWM信號波，而后作為輸入信號送到壓頻轉換部分。在壓頻轉換中，將輸入電壓信號線性變換成一定頻率（幾十到幾百kHz）的方波脈沖列，而后傳到光纖傳輸部分。在光纖傳輸部分，電脈沖信號變成光信號進行高速遠距離傳輸，送到位于控制中心的頻壓轉換部分。頻壓轉換部分將脈沖列還原成電壓信號。該電壓信號會有微小程度的電壓脈動，可以加裝RC低通濾波器予以改善。濾波器輸出的模擬信號最終送入ADC芯片轉換成數字信號并送入控制器進行處理。高頻的脈沖列相當于高頻率的數字信號，和光纖傳輸一樣，都有高抗干擾、高抗衰減性能。大功率環境下，對電壓采樣和壓頻轉換部分，以及開關電源部分，用屏蔽罩進行屏蔽。壓頻轉換原理可描述如下：輸入電壓信號經輸入電阻變為電流信號，經積分器對積分電容充電，同時電容電壓值和內部的基準電壓進行比較，一旦到達閥值，內部開關斷開積分回路，變為內部恒流源對電容的反向積分，仍與閥值電壓比較，直到基準電壓大小時再次重復上述過程，與此同時輸出脈沖列，從而實現壓頻轉換。電壓越大，脈沖列頻率越高。頻壓轉換的原理與此類似。

2 系統參數計算及分析

目前，壓頻轉換核心芯片很多。一般從功能、頻率范圍、轉換線性度方面進行選擇，本設計要求工作頻率高、線性度好，輸入電壓范圍寬，據此選用美國AD公司的高性能壓頻轉換器件AD650。AD650電路既能用作電壓頻率轉換器,又可用作頻率電壓轉換器。模擬信號遠距離隔離傳輸原理接線圖如圖2所示：

圖2模擬信號遠距離隔離傳輸原理接線圖

2.1 壓頻轉換電路參數選擇

VFC電路主要有3個參數需要選擇，即輸入電阻Rin、積分電容Cin、定時電容Co。輸入電阻Rin會限制輸入電壓范圍，一般輸入電流不超過1mA，有公式（1）：

輸入電阻Rin和積分電容Cin決定了滿度頻率。一般說來，Co越高，輸入電流越小(Rin越大)，線性度越好，滿刻度頻率也越低如圖3所示：

圖3 滿刻度頻率和Rin及Co的對應關系

可以根據圖3來選擇滿刻度頻率所要求的Rin和Co[6]。Rin確定之后，并給定期望的滿刻度頻率，則定時電容Co的大小也就確定了。積分電容Cin可以通過下面方程來選擇，如公式（2）：

2.2頻壓轉換電路參數選擇

FVC電路主要有3個參數需要選擇，即積分電阻Rint、積分電容Cint、定時電容Cos。選擇參數之前，應先確定最大及最小輸入頻率fmax、fmin，最大輸出電壓Vomax，要求的響應時間tres及允許的電壓脈動Vrip。而后計算如下。

定時電容Cos可由下式得到公式（3）：

積分電阻Rint可由下式得到（4）：

積分電容Cint可由下式得到公式（5）：

式中N=6，如果輸出電壓脈動太大，可以減小。輸出電壓的脈動Vrip可由下式得到公式（6）：

FVC電路的輸出電壓可由下式得到公式（7）：

3 實驗結果

將本模擬信號隔離傳輸系統接入直流母線電壓為200V、開關頻率為1.25kHz的三相兩電平PWM整流器系統進行測試，測試電路如圖1所示。主要測試整流器A相和B相的輸入線電壓波形。測試波形如圖4、圖5、圖6所示：

圖4 整流器開關全關斷時的波形

從圖4可以看出，波形均為正弦波，隔離傳輸系統輸出波形3對真實波形2的跟蹤效果很好。輸出電壓有7.6V的直流偏置，

圖5整流器工作時整體SPWM波形

圖6整流器工作時SPWM局部放大波形

這在軟件中很容易處理，不會影響控制策略的實施。圖5和圖6中，波形2是PWM整流器輸入側線電壓的真實波形，4為霍爾電流傳感器（LEM）輸出的波形，3為經模擬信號隔離傳輸系統輸出的波形。

從圖5、圖6可以看出，在輸入為SPWM波形情況下，隔離系統的跟蹤效果也很好。有一個不太理想的地方在于，2.5kHz頻率下LEM輸出的波形已非標準方波，而是以一個斜坡信號與真實SPWM波的階躍信號相對應。然后,隔離傳輸系統的輸出信號跟蹤這些斜坡信號，使得波形有微小失真。這是由電容積分效應造成的。SPWM波經隔離系統之后有大約20μs的延時，這個延時可以通過軟件中的適當算法予以補償或是其他處理得到解決，最終不會影響控制效果。

4 總結

通過本文的分析及實驗結果可以得出如下結論：

1）輸出信號的延時主要是由FVC積分電容Cint的積分過程延時和RC濾波延時引起的。Cint越小，引起的延時越小，但輸出電壓脈動會增加。低通濾波器參數RC乘積越小，引起的延時越小，但濾波效果會下降。

2）采用基于壓頻轉換、光纖傳輸和頻壓轉換的方法進行功率變換器模擬信號的隔離傳輸，具有很強的抗干擾能力，信號在傳輸過程中有低于20μs的延時，失真度小，線性度高，可靠性好，可用于電壓不超過±5V、頻率不超過5kHz的模擬信號的遠距離隔離傳輸控制系統。

[1] Kuriyama, K; Suzuki, Y; Small poltroon transport in Li7MnN4 containing isolated MnN4 tetrahedral [J], Solid State Communications, v148, n11-12, p 508-510, December 2008.

[2] Yan, Yan; Ma, Wen-Ge, Research on the optimal assignment of traffic signal for isolated intersection in intelligence transportation system [C], 3rd International Conference on Innovative Computing Information and Control, ICICIC'08, June 18, 2008 - June 20, 2008.

[3] 王波，基于光纖傳輸的高電壓測量裝置[J]， 電子元器件應用 2007年10，P48-51.

[4] 白吳文秀，一種利用V/F和F/V轉換器實現遠距離隔離傳輸的實用電路[J]，長江大學學報A(自然科學版) ，2006年04期，P110-111.

[5] AD650 analog device handbook.

[6] 牛天蘭等，V/F,F/V轉換器AD650及其應用[J]，大連鐵道學院學報, 2003年 02期，P91-93.

One Method to Isolated Transport Analog Signals for Long-distance

Zhu Yifeng
（School of Electrical Engineering and Automation, He’nan Polytechnic University,JiaoZuo454003,China）

In the industrial field, sometimes need to transport analog signal converted by sensors to control center for AD conversion and then send to the controller for processing. This paper presents an approach for transmission analog signals under the circumstance of high voltage: using AD650 to construct voltage / frequency circuit and frequency/voltage conversion circuit, the voltage / frequency circuit first linearly converts the given analog signals to a square-wave pulse train with some frequency, and the optical fiber transmits it to distant control center. In the control center the pulse trains into a frequency to voltage conversion circuit are restored to voltage signals, and finally into the AD chip to be converted to digital signals, which are put into the controller for processing. The circuit structure and parameters were designed in detail and some experiments were carried on. The experimental results show that the scheme can effectively transport an analog signal without attenuation for long distance, with good anti-interference ability as well. In the process of transmission delay can be controlled below 20us.

Analog Signals;Isolated Transportation;VFC;FVC

TN911

A

1007-757X(2014)01-0005-03

2013.10.20)

國家自然科學基金（51077125）

朱藝鋒（1979—），男（漢族），河南南陽人，河南理工大學電氣學院，博士，講師，主要研究方向：大功率變流器的優化設計及高性能控制，焦作，454003