本文提出了一種基于線性光耦的核電廠安全級(jí)DCS模擬量信號(hào)隔離器的設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)電路的原理設(shè)計(jì)以及器件的選型，使得該方案具有電路簡(jiǎn)潔、精度高、溫漂小、響應(yīng)時(shí)間短、制造成本低等優(yōu)勢(shì)。該模擬量信號(hào)隔離器在核電廠安全級(jí)DCS系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。

隨著DCS控制系統(tǒng)在核電中的應(yīng)用發(fā)展，對(duì)DCS系統(tǒng)的安全性和可靠性的要求也越來(lái)越高。DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)端采用的模擬儀表變送器單元，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)以模擬量的形式輸入系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化處理。由傳感器轉(zhuǎn)換的模擬量通常以較微小的電壓量為主，但是在傳輸過程中容易受到干擾，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性造成影響。因此，需要將微小電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)進(jìn)行傳輸，工業(yè)領(lǐng)域通常將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA電流進(jìn)行傳輸。對(duì)于DCS系統(tǒng)，同一傳感器的模擬量需要供給不同的板卡，甚至不同的機(jī)柜，所以需要一種對(duì)模擬量的隔離和分配的模擬量信號(hào)隔離器，避免不同板卡和不同機(jī)柜之間的相互影響。

目前，應(yīng)用于DCS控制系統(tǒng)的模擬量信號(hào)隔離器有較多種類，比如昌暉儀表制造有限公司YR9034A，包括利用變壓器隔離性放大器進(jìn)行隔離分配、利用電容性隔離放大器隔離分配，利用線性光耦隔離型放大器進(jìn)行隔離分配等隔離方式。

本文介紹了一種基于線性光耦的核電廠安全級(jí)DCS模擬量信號(hào)隔離器，本模擬量信號(hào)隔離器通過對(duì)電路的設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)的選擇實(shí)現(xiàn)高精度、低溫漂、響應(yīng)時(shí)間短、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1、設(shè)計(jì)概要
本文設(shè)計(jì)的模擬量信號(hào)隔離器，實(shí)現(xiàn)1路4-20mA電流輸入，4路4-20mA電流輸出的功能，功能類似使用與DCS系統(tǒng)的一入四出信號(hào)隔離器YR9024A。通道之間的隔離能力為1500Vpeak/1min＜5mA，通道與系統(tǒng)之間的隔離能力為1500Vpeak/1min＜5mA。輸出20mA的帶負(fù)載能力為750Ω。現(xiàn)場(chǎng)變送器輸入的4-20mA電流經(jīng)過輸入保護(hù)電路后經(jīng)過100Ω的采樣電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.4V-2V的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)輸入4個(gè)線性光耦進(jìn)行信號(hào)隔離，隔離后的電壓經(jīng)過V/I變換，轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號(hào)輸出。其硬件原理如圖1所示。

圖1  模擬量信號(hào)隔離器硬件原理示意圖

由于線性光耦的傳輸比受器件制造的影響，不同器件個(gè)體具有差異性，通過進(jìn)行反饋電路的設(shè)計(jì)可以將線性度顯著提高；在V/I轉(zhuǎn)換電路中，部分參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換精度有較大影響，通過對(duì)器件參數(shù)的選擇，可以將轉(zhuǎn)換精度提高；由于模擬器件對(duì)溫度的變化比較敏感，通過對(duì)器件的選擇，可以降低溫漂，保證通道的精度。

2、輸入隔離通道的設(shè)計(jì)
①通道供電電路設(shè)計(jì)
該模擬量信號(hào)隔離器硬需要+24V電源、+5V電源，其中電源對(duì)于隔離兩側(cè)的供電部分需要相互隔離。輸入的+24V直流電源通過熱插拔以及過壓欠壓保護(hù)電路后，經(jīng)過5組隔離DC/DC模塊轉(zhuǎn)換為5路相互隔離的+24V電源，這5路+24V電源再經(jīng)過5個(gè)LDO轉(zhuǎn)換為5組相互隔離的+5V電源。其中一路為隔離輸入端供電，另外4路分別為輸出的4路隔離通道供電，如圖2所示。

圖2   模擬量信號(hào)隔離器通道供電示意圖

② 輸入端電路設(shè)計(jì)
輸入通道將4-20mA電流通過100Ω采樣電阻轉(zhuǎn)換為0.4V-2V電壓信號(hào)。為了保證電路的精確性，采樣電阻采用0.01%精度，±5ppm溫漂的高精密電阻。為了防止意外的大電流輸入對(duì)模擬量信號(hào)隔離器通道供電示意圖通道造成損壞，在輸入路徑上串聯(lián)一個(gè)50mA的保險(xiǎn)絲。同時(shí)，為了防止輸入電流信號(hào)反接，在輸入路徑上串聯(lián)一個(gè)防反二級(jí)管。為了抑制信號(hào)傳輸過程中可能引入的共模干擾，在回路中串聯(lián)一個(gè)共模電感，起到抑制干擾的作用。具體原理如圖3所示。

圖3   模擬量信號(hào)隔離器輸入端電路原理圖
 
③隔離電路設(shè)計(jì)
本模擬量信號(hào)隔離器的信號(hào)隔離基于線性光耦的特性。由線性光耦的制造特性可知，在同一個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)光敏二極管，從制造工藝上保證兩個(gè)光敏二極管接受到發(fā)光二極管的光照相同，將一個(gè)光敏二極管放置在隔離輸入端，另一個(gè)二極管放置在隔離輸出端，形成反饋電路，這樣可以使非線性度降低到0.01%，為信號(hào)的精確傳輸提供了可靠保證。模擬量信號(hào)隔離器隔離電路原理圖如圖4所示。

圖4   模擬量信號(hào)隔離器隔離電路原理圖

根據(jù)模擬量信號(hào)隔離器電路的原理圖可知，由采樣電阻轉(zhuǎn)換的電壓U通過R1輸入運(yùn)放的負(fù)輸入端。根據(jù)運(yùn)放的虛短特性，輸入電流通過R1流入線性光耦原邊的光敏二極管。于此同時(shí)，在放大器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓，使得線性光耦的發(fā)光二極管發(fā)光，原邊光敏二極管接受到光線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的電流IPD1。同時(shí)，使得放大器的負(fù)輸入端產(chǎn)生一個(gè)微小的電壓形成負(fù)反饋。當(dāng)電路達(dá)到平衡時(shí)，輸入電壓U保持不變的狀態(tài)下，流過發(fā)光二極管的電流IF保持穩(wěn)定，流過光敏二極管的電流IPD1也保持穩(wěn)定。直到U變化時(shí)，重復(fù)上述過程，至再次穩(wěn)定的狀態(tài)。

副邊的光敏二極管在發(fā)光二極管的照射下產(chǎn)生一個(gè)微小的電流IPD2，電流通過放大器的反饋電阻輸出電壓Vout。為了保證輸入U(xiǎn)和輸出Uout相等，通過數(shù)字電位計(jì)對(duì)放大器U3的反饋電阻進(jìn)行調(diào)整，數(shù)字電位計(jì)的阻值為Rx。定義 K1=IPD1/IF，K2=IPD2/IF。

根據(jù)電路原理可以計(jì)算出Uout=K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)由此可知，為了保證輸出電壓Uout和輸入電壓U相等，需要保證K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)=1。由于器件的制造存在偏差導(dǎo)致K2/K1≠1，R3和R1為定值，所以需要調(diào)整Rx，來(lái)保證K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)=1。

為了保證數(shù)據(jù)的傳輸精度，需要對(duì)基本電路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在放大器U1的輸出端和負(fù)輸入端之間增加一個(gè)電容C1能夠使輸入的信號(hào)更加穩(wěn)定。在放大器U3的反饋電阻(R3+Rx)兩端并聯(lián)一個(gè)電容C2，對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償，避免因?yàn)榉糯笃鬏斎爰纳娙菰斐傻南辔粶笏鶎?dǎo)致的電路震蕩。同時(shí)，在U3輸出端使用下拉電阻，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

根據(jù)線性光耦的特性可知，K2/K1具有-65ppm的溫漂，為了減弱甚至抵消線性光耦溫漂的影響，通過對(duì)R1和R3電阻的選型來(lái)調(diào)整。選取正溫漂參數(shù)的電阻R3和負(fù)溫漂參數(shù)的電阻R1，通過對(duì)電阻溫漂的調(diào)整，抵消光耦溫漂的影響。在R2的電阻選擇上也需要注意，保證IF的電流在線性光耦的理想工作區(qū)間。

由于公式Uout=K2×(R3+Rx)×U/(R1×K1)是在運(yùn)放U1的開環(huán)增益趨于無(wú)窮大的理想情況下推導(dǎo)出來(lái)的，所以在運(yùn)放U1的選擇上需要注意，選擇開環(huán)增益大的精密運(yùn)放，開環(huán)增益最好不小于120dB。另外，對(duì)于放大器的輸入偏置電壓選擇需要注意，偏置電壓應(yīng)該10μV量級(jí)，為了控制溫漂，需要偏置電壓隨溫度的影響要小。

在U1和U3運(yùn)放的選型上，需要選擇噪聲密度小的，并且選擇噪聲對(duì)開關(guān)增益影響小的運(yùn)放。同時(shí)，為了保證精度，對(duì)放大器的+5V供電電源需要控制紋波的幅度，為了降低對(duì)紋波的影響，需要對(duì)運(yùn)放的電壓抑制比進(jìn)行選擇。由于運(yùn)放的電源電壓的變化會(huì)影響輸入差分電壓的偏置點(diǎn)，運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)的匹配性誤差，輸入差分電壓的偏置點(diǎn)的改變會(huì)引起輸入失調(diào)電壓的改變，同時(shí)導(dǎo)致輸出電壓的變化，影響電路的精度。在EDA設(shè)計(jì)的時(shí)候也需要對(duì)運(yùn)放的電源以及旁路電容的布置予以考慮，避免由PCB上引入更多的干擾影響模擬量信號(hào)隔離器轉(zhuǎn)換的精度。

④輸出電路設(shè)計(jì)
 模擬量信號(hào)隔離器輸出電路采用V/I轉(zhuǎn)換電路，將線性光耦隔離輸出的0.4V-2V電壓轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出。該電路由兩個(gè)運(yùn)放和一個(gè)三極管以及相關(guān)的匹配電阻構(gòu)成。具體電路如圖5所示。根據(jù)電路可以得到以下方程組
          -----------------------------公式(1)
              -----------------------------公式(2)
V1=V3                               -----------------------------公式(3)

                      ------------------------------公式(4)
由方程(1)可以推導(dǎo)出
              ---------------------公式(5)
                ---------------------公式(6)  
由方程(2)、(3)可推導(dǎo)出
                          ---------------------公式(7)
由方程(4)、(5)、(7)可以推導(dǎo)出電流和各個(gè)參數(shù)的關(guān)系
    ---------------------公式(8)
根據(jù)公式(8)可以知道，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，輸出電流值I只與R5相關(guān)；當(dāng)R5等于采樣電阻時(shí)，輸出電流等于輸入電流。且負(fù)載的變化對(duì)電流輸出沒有影響。當(dāng)R1≠R2≠R3≠R4時(shí)，電流I與輸出電壓VIN呈非線性關(guān)系。并且當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，導(dǎo)致V4發(fā)生變化，根據(jù)公式(6)可知，V1會(huì)根據(jù)V4的變化而變化。

當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，導(dǎo)致V4增大，根據(jù)公式(6)V4增大導(dǎo)致V1增大。根據(jù)公式(8)可知，當(dāng)R4×R1＞R3×R2時(shí)，輸出電流I隨著負(fù)載增加而增大。同理，當(dāng)R4×R1＜R3×R2時(shí)，輸出電流I隨著負(fù)載增大而減小。負(fù)載的增大會(huì)導(dǎo)致V4增大，由于經(jīng)過負(fù)載的電流為I和經(jīng)過R5的電流相同，設(shè)負(fù)載的大小為N×R5，則V4=I×N×R5。
      ---------------------公式(9)

由公式(9)可知，該電路的精度主要受到R1、R2、R3、R4這4個(gè)電阻阻值的影響。考慮電阻的誤差，在電阻精度為0.1%的條件下。
考慮任意一個(gè)電阻存在0.1%的誤差。當(dāng)R4或者R3中有任意電阻為0.1%時(shí)，由于
                ---------------------公式(10)
                      ---------------------公式(11)
     ---------------------公式(12)
在該極限條件下，VIN的輸入可以通過調(diào)整數(shù)字電位計(jì)的阻值改變線性光耦的轉(zhuǎn)換系數(shù)，進(jìn)行一定程度的消除。

VIN在輸入電流為20mA的條件下為2V，V4的值根據(jù)負(fù)載的變化而變化，負(fù)載越大V4值越大，在輸出20mA的條件下負(fù)載為N×R5，產(chǎn)生的誤差為(N+1)×0.05%。根據(jù)需求負(fù)載的最大值為750Ω，故理論計(jì)算的誤差最大值為0.425%。不滿足精度要求。更換精度為0.01%的電阻條件下，由于
            ---------------------公式(13)
                     ---------------------公式(14)
故有
      ---------------------公式(15)
VIN在輸入電流為20mA的條件下為2V，V4的值根據(jù)負(fù)載的變化而變化，負(fù)載越大V4值越大，在輸出20mA的條件下負(fù)載為N×R5，產(chǎn)生的誤差為(N+1)×0.005%。根據(jù)需求負(fù)載的最大值為750Ω，故理論計(jì)算的誤差最大值為0.042%。滿足精度要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)R1、R2、R3、R4進(jìn)行匹配篩選，可以使V/I的轉(zhuǎn)換精度達(dá)到±0.01%。

3、組件的整體誤差分析
模擬量信號(hào)隔離器的誤差來(lái)源主要是兩個(gè)部分，線性光耦的隔離部分和V/I轉(zhuǎn)換部分。
線性光耦的非線性度在±0.01%以下，在電壓隔離傳輸過程中，根據(jù)圖4可知，電壓傳輸比由數(shù)字電位計(jì)U4控制。數(shù)字電位計(jì)提供的電阻為Rx，根據(jù)電路原理可以計(jì)算出
    ---------------------公式(16)
通過調(diào)整數(shù)字電位計(jì)RX的值，使得VOUT=VIN。但是，由于數(shù)字電位計(jì)對(duì)于電阻的變化是不連續(xù)的，所以必然會(huì)引入誤差。如果R1選用200K的電阻，數(shù)字電位選用滿量程50K，1024分辨率的型號(hào)，數(shù)字電位的最小步進(jìn)值為48.8Ω，由計(jì)算可知，數(shù)字電位計(jì)產(chǎn)生的最大誤差為±0.024%。

光耦的非線性誤差，數(shù)字電位計(jì)的數(shù)字誤差，V/I轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換誤差的相互關(guān)系為乘積關(guān)系。根據(jù)誤差合成理論，N個(gè)乘積關(guān)系的誤差符合公式(17)的合成關(guān)系。
         ---------------------公式(17)
故可以得出，組件的合成誤差為±0.075%。保證了組件的誤差控制在0.1%。

本文設(shè)計(jì)的基于線性光耦的模擬量信號(hào)隔離器，完成了單板的測(cè)試以及平臺(tái)的聯(lián)合測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的基于線性光耦的模擬量信號(hào)隔離器可以達(dá)到通道間隔離耐壓1500Vpeak/1min＜5mA、轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.1%FS/25℃、溫漂小于0.01%FS/℃、響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于800μs的預(yù)期的指標(biāo)，具有高精度、低溫漂、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，這種模擬量信號(hào)隔離器在核電領(lǐng)域安全級(jí)DCS平臺(tái)上具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
作者：中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 王松、劉明星、梁建、馬權(quán)