高精度放大隔离电路的研究与设计_赵灵豆.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期1引言随着电子信息时代科学技术的高速发展，高压放大器在通信技术、信号测试与测量、功率驱动等方面获得了广泛的应用13，工程领域中的压电、铁电、超声波电机等器件的驱动和激励，要求的工作电压必须为高电压，这也就意味着对信号的放大、测量等技术方面的要求越来越高，需要向着增益高、精度高、频带宽和功率大的方向发展。因为信号发生器所输出的电压信号一般情况下都为低压信号，而对于需要高电压的器件，信号发生器所输出的信号便不能满足要求，这就需要对信号进行高压放大来得到所需电压信号。现有的很多针对小信号的放大电路有不同程度的局限性，基本上都是由晶体管或MOS管的放大电路构成，其功率有限，在一些大功率应用场合下，不可避免的会受功率的限制；而且现有的放大电路对小信号的放大倍数比较低，很容易影响到小信号的测量精度，所以对小信号进行高压放大在电路测试领域有着非常重要的意义。本文设计了一种高压放大隔离电路，将三角波电压信号进行放大处理，并在此基础上设计了线性光耦隔离电路。此电路可以实现大功率的三角波电压信号输出和双量程电流的隔离输出，精度均在收稿日期：2022年9月12日，修回日期：2022年10月25日作者简介：赵灵豆，女，硕士研究生，研究方向：仪器仪表、电路与系统。任勇峰，男，教授，研究方向：测试计量技术及仪器、电路与系统。贾兴中，男，硕士，工程师，研究方向：电路与系统。高精度放大隔离电路的研究与设计赵灵豆1任勇峰1，2贾兴中1（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室太原030051）（2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051）摘要针对现有的放大电路输出功率小、输出电压幅值较低的问题，设计了一种高精度放大隔离电路，该电路包括供电模块、三角波驱动模块和信号调理模块三部分，将的三角波信号经高压放大器放大，后经信号调理电路可实现大功率的三角波电压信号输出和双量程电流的隔离输出，并通过上位机进行采集，输出信号测试结果精度均在0.2%以内。关键词MAX038；HCNR201；三角波；高压放大；隔离中图分类号TN431.1DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.045Research and Design of High Precision Amplification and IsolationCircuitZHAO Lingdou1REN Yongfeng1，2JIA Xingzhong1（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan030051）（2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan030051）AbstractAiming at the problems of small output power and low output voltage amplitude of the existing amplification circuit，a high-precision amplification and isolation circuit is designed.The circuit includes three parts：power supply module，triangularwave driving module and signal conditioning module.The triangular wave signal is amplified by the high-voltage amplifier，and thenthe high-power triangular wave voltage signal output and the isolation output of double range current can be realized by the signalconditioning circuit，and the data can be collected by the upper computer.The accuracy of output signal test results is within 0.2%.Key WordsMAX038，HCNR201，triangular wave，high voltage amplification，isolateClass NumberTN431.1总第 345 期2023 年第 3 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.3219总第345期0.2%以内。2电路组成此电路由供电模块、三角波驱动模块和信号调理模块构成，其构成原理框图如图1所示。图1电路构成原理3供电模块随着电子设计、计算机在日常生活与工作中的广泛普及，电磁噪声干扰日益严重并成为一种令人头疼的问题，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅高、随机性强，对微型计算机机和数字电路很容易产生严重的干扰45，所以对电源滤波是保证电路能够正常工作的重中之重。电源滤波器是针对电源端口电磁干扰的特点设计的。EMI电源滤波器用于对输入电压进行滤波处理，以达到系统所需信号通过；电压转换器用于将滤波后的电压转换为多个电压；三端稳压器用于输出电压，起到降压、稳压的作用。供电模块实现对电路中各部分器件的供电输入，本电路使用线性电源输出+28V电压实现外部供电输入，先经EMI电源滤波器降低电磁干扰，然后通过DC-DC电压转化器进行升降压，其中一路电压经电压转换器后变为+52.8V，一路电压经电压转换器后变为-52.8V，52.8V电压为后续高压放大器提供双端电压输入；还有一路经电压转换器后变成+5V，+5V电压为后续信号调理模块中的运算放大器提供单端电压输入。供电模块功能框图如图2所示。升压、降压电路均设计为有限流电路，电流阈值均限制在2.5A，电流高于或低于此阈值时，升、降压电路将切断电路输出，以保护系统因功率过大导致损坏电路。4三角波驱动模块4.1三角波发生芯片三角波信号采用三角波专用芯片MAX038生成。MAX038 是 Maxim 公司生产的一种高速信号发生器，工作频率范围为0.1Hz20MHz，扫频规模可达350倍67。MAX038的功能非常强大，它能够精产生多种波形信号，包括三角波、方波、正弦波信号，各种波形的输出幅值均为2V；各种波形的占空比和频率都可以实现单独调节，而且互不干涉，占空比的最大调节范围为1090；此芯片产生的波形失真小，很适合波形发生电路的设计8。图2供电模块4.2高压放大器所选高压放大器为一款轨至轨输出精准运算放大器，工作电压可达 140V，输出电流典型值10mA，可提供高性能自动测试设备、压电驱动器和DAC缓冲器应用所需的精确度，可以满足设计要求9。4.3驱动电路设计将三角波信号频率设置为 200Hz，输出幅值为-1V+1V。产生的信号输出到功率运算放大器，电压幅值放大至-48V+48V，并输出至负载。放大电路如图3所示。三角波信号先经高压放大器进行电压信号放大，放大倍数通过调节电阻 R51 与R47的比值即可实现。图3放大电路原理图放大后的电压信号再经过由两个高频大功率三级管构成的功放输出电路，功放输出电路使得输出电压和输出电流都有足够大的变化，极大地提高了电路输出的效率，最后输出45V的电压信号。5信号调理模块5.1调理信号因为所设计的三角波驱动电流为-0.5A+0.5A，要求分辨到0.2mA，动态范围为83.5dB，采用8bitAD采样无法量化该指标，所以把电流分为大、小2个量程分别进行采样。信号取样电阻采用2个3的电阻串联设计，有3个取样点，如图4所示。赵灵豆等：高精度放大隔离电路的研究与设计220舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期图4信号取样电阻经过对上述信号取样电路的分析可以得到C点对地的采样电压，电压范围为45V；A点与C点之间的采样电压，按照小量程电流范围-4mA+4mA计算，对应输出电压范围为-24mV+24mV；A点与 B 点之间的采样电压，按照大量程电流范围-0.5A+0.5A 计 算，对 应 输 出 电 压 范 围为-1.5V+1.5V。所以此电路可以输出3种信号供上位机采集，主要包括：将-45V+45V的三角波驱动电压转换成 05V 电压信号供上位机采集；将-4mA+4mA的小量程电流转换成05V电压信号供上位机采集；将-0.5A+0.5A大量程电流转换成05V电压信号供上位机采集。5.2调理电路设计5.2.1驱动电压调理三角波驱动电压信号先经差动放大电路，后经电阻分压电路调理成05V电压。差动放大电路的主要作用是为了提高共模抑制比。采样电压的调理电路如图5所示。此调理电路中的电阻分压部分采用了两个电阻，一个电阻为 20K，另一个电阻为 1K，参考电压Vref为+2.5V。通过计算可知，方波电压经过调理后的范围为0.238V4.524V，满足05V的设计要求。5.2.2取样电流调理1）A、B点采样电压调理三角波输出电流为-0.5A+0.5A，则当电流流过时，电阻两端电压为-1.5V+1.5V，此处的输入电压为差分电压，所以在电路调理时需经差分运放消除共模电压，后面的二阶低通滤波电路是用来对电压信号进行过滤，过滤后的电压信号即为所需电压信号，这样的设计可以使输出电压更平直、更理想。采样电流调理电路如图6所示。此电路差模截止频率为 160kHz，共模截止频率 为 482kHz，二 阶 低 通 滤 波 电 路 截 止 频 率 为16kHz。二级放大运放供电为单5V供电，当信号输出饱和时，输出电压会限制在正供电轨，起到输出限幅的作用。图5采样电压调理电路图6采样电流调理电路221总第345期2）A、C点采样电压调理A点和C点之间输入的差分电压为-1.5V+1.5V。A点与C点之间的采样电压调理电路与A点与B点之间的采样电压调理电路类似，这里不再赘述。5.3光耦隔离电路设计光耦合器也称为光电隔离器或光耦离合器10，由于它具有体积小、寿命长、单项传输信号等优点，得到了市场的广泛认可，也成为了开关电源反馈电路中的常用电子器件1112。此电路采用HCNR201高精度线性光耦实现输入与输出信号的隔离。线性光耦HCNR201内部结构原理如图7所示。图7HCNR201内部结构原理HCNR201是由一个高性能发光二极管和两个光敏二极管组成的，其中两个光敏二极管具有完全相同的性能和参数。高性能发光二极管LED作为隔离信号的输入端，如果有电流经过流过时，发光二极管LED就会发光，此时LED的光照照射在两个相邻匹配的光敏二极管上，光敏二极管在感应到光照时，会产生光电流。由于HCNR201结构的特殊性，两个光敏二极管 PD1 和 PD2 相邻且分布对称，所以在LED发光的时候，两个光敏二极管可以得到近似的光照强度，同时感应出的光电流也正比于LED的发光强度。LED的非线性和偏差特性带来的误差很容易影响电路的稳定性，而光敏二极管PD1的设计可以消除这一影响，从而改善了输入电路与输出电路之间的线性特性和温度特性，提高了整个电路的稳定性。光敏二极管PD2使整个线性光耦元件的信号输出端，通过接收正比于发光二极管LED发光强度的输出电流，从而实现输入与输出电路之间电流隔离的作用。线性光耦元件 HCNR201内部结构的特殊设计可以使PD1和PD2之间构成严格的线性关系，使得此线性光耦拥有高稳定性和高线性度的特点，从而提高了整个电路的稳定性。因输入信号与输出信号的隔离非常重要，所以针对三角波驱动电压、大量程电流和小量程电流均采用光耦隔离电路设计，以达到对输入输出信号的隔离，增强电路的稳定性。光耦隔离电路设计如图8所示：输入电压先经过运算放大器输出，使得LED上有电流通过，该运放的输出用以驱动LED发光，进而稳定了LED的光输出13，将电压信号转变为光信号。PD1在感应到LED发出的光便会产生光电流，因为 PD1 与 PD2 是两个完全相同的光敏二极管，所以在理想情况下，PD1产生的电流等于PD2产生的电流。PD2右端接入的运算放大器AD8606和电阻R63是将PD2产生的电流信号转变成电压信号，后面再接一个电压跟随电路保护电路，最后将电压信号输出。其中电阻R61在整个电路中起限流作用；电阻R62则用来控制发光二极管LED的发光强度；电容C50和电容C51均为反馈电容，在电路中起负反馈作用，用于提高电路的稳定性。图8光耦隔离电路6测试结果对电压调整信号、大量程电流取样信号和小量程电流取样信号进行测试与回采，电压调整信号测试结果如表1所示，大量程电流取样信号测试结果如表2所示，小量程电流取样信号测试结果如表3赵灵豆等：高精度放大隔离电路的研究与设计222舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期所示。表1电压调整信号测试结果输出电压估算值2.579282.798673.018333.238313.458033.677993.898004.117934.337754.55749输出电压实际值2.580202.799203.018913.238813.458673.678573.898594.118574.338424.55821精度/%0.018440.010580.011740.010060.012900.011580.011860.012900.013460.01514对应电压估算值4.637399.2774113.9322218.5909323.2489727.9076032.5689837.2294841.8872446.54347对应电压实际值4.6239.28013.93818.59623.25427.91332.57037.22741.88346.540精度/%0.03060.00540.01200.01060.01050.01250.00210.00520.00880.0072表2大量程电流取样信号测试结果输出电压估算值2.605702.858153.079493.312823.486813.724893.836624.052314.304014.69067输出电压实际值2.605742.857733.079283.312223.486533.723823.834784.052054.304894.68945精度/%0.000920.008260.004120.012080.005560.021340.036640.005220.017500.02448对应电压估算值0.369660.842161.256431.693142.018772.464372.673483.077183.548274.27197对应电压实际值0.37010.84141.25611.69202.01732.46122.67283.07543.54974.2701精度/%0.03060.01990.00810.02860.03680.07930.01710.04440.03570.0466表3小量程电流取样信号测试结果输出电压估算值2.625162.862433.070163.343323.528673.793744.041694.185324.403874.62302输出电压实际值2.627622.865083.070233.345893.531263.796104.043894.188684.407324.62624精度/%0.049360.052940.001390.051480.051820.047220.044220.067340.068960.06441对应电压估算值0.043620.097730.145090.207370.249630.299890.366590.399340.044910.49914对应电压实际值0.04430.98560.14570.20690.25000.29990.36730.40010.45000.5000精度/%0.12860.16690.11250.09330.08060.00520.14480.14960.16930.1722根据以上表格中的测试结果可以看出该电路输出的电压调整信号、大量程电流取样信号和小量程电流取样信号的测试结果均和估算值近似，测试结果精度均在0.2%以内。7结语高精度放大隔离电路包括供电模块、三角波驱动模块和信号调理模块，将MAX038产生的三角波信号经过信号调理模块可以实现对电压调整信号、大量程电流取样信号和小量程电流取样信号的隔离输出，且测试结果表明，该电路的测试精度均在0.2%以内。该设计有效地解决了一般放大电路输出功率小、电压幅值小的问题，这些成果与经验可以为相关的模拟信号隔离电路提供比较不错的思路，这对优化模拟信号放大电路的设计有着很重要的影响。参 考 文 献1张笑恒.电能和电功率计量用高准确度高压放大器关键技术研究 D.青岛：青岛大学，2021.2吴仕情，王斌，王逸舟.一种高精度低频高压源的设计J.自动化与仪器仪表，2019（05）：19-22，27.3钟清华，黄伟强，李子升.基于线性电源的高压放大器J.现代电子技术，2004（15）：6-7.4吴晓.电源滤波器原理及应用 J.电子质量，2005（10）：77-79，85.5刘锋，吴文谊，王雪娟，等.电源滤波器在模拟实际工作状态下的性能测试方法 J.防护工程，2021，43（03）：69-73.6王吉予.数显函数信号发生器 J.中国新技术新产品，2015（17）：25.7吴国贤，王敬辉.基于MAX038的简易函数信号发生器J.中国新通信，2015，17（09）：103.8黄庆彩，祖静，裴东兴.基于MAX038的函数信号发生器的设计 J.仪器仪表学报，2004，25（z1）：321-322.9林广升，陈华.基于LTC6090的桥式压电物镜驱动器驱动电源设计 J.广西大学学报（自然科学版），2015，40（03）：744-749.10王博，仲维彬.基于HCNR201线性光耦的飞机高压信号隔离电路设计 J.中国科技信息，2019（24）：28-29.11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（01）：147-150，154.12熊浩然.一种基于光耦隔离的多路输出模块电源的研发 D.扬州：扬州大学，2018.13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）：153-154.223