飛電容:模擬信號隔離方法之一

admin @ 2014-03-26 , reply:0

這裡要聲明的是本文所論述的內容應該算是轉述,有關“飛電容”概念的提出應該是接近或者超過30年。1983年我讀碩士生2年級的時候,見到了一家美國公司的一塊數據採集板,當時測繪了其原理圖,由於搞不到整機的軟體,並沒有真正理解這個電路的工作原理。為了選擇碩士論文的題目,當時我主要是泡在圖書館里看IEEE的文章。一個偶然的機會讀到了一篇講述"Flying Capacitor"文章的題目,老師給的方向是SCADA,電容能不能飛上天應該不屬於這個方向,具體內容沒有看就翻過去了。中午去餐廳的路上,又在琢磨測繪的板子的原理。板子中心位置顯著的有8個米黃色的無感電容,應該是一個關鍵吧?想到電容,思緒轉向了Flying Capacitor,電容怎麼會飛?下午一定好好看看。

幾年以後,在為一個1950年代建設的老電廠進行計算機監控的項目中,運用過飛電容原理,效果還算不錯。

二、什麼叫“飛電容”

圖1 是一個飛電容的示意圖。K1是一個雙刀雙擲繼電器。當開關切換到Vi側時Vi給電容C1充電或放電,經過一個短暫的過渡過程以後,電容兩端的電壓應該跟 Vi相同。當開關切換到Vo側時,如果負載阻抗達到無窮大,由於電容C1的蓄能功能,Vo應該與切換前的Vi相等。從而完成了Vi的隔離轉換功能。

三、應用領域分析

飛電容隔離方式適合採用速率不是很高的直流信號的隔離。對於多路電流方式(如4-20MA)輸出的信號,一般的隔離措施很難解決共地的問題,飛電容方式就非常簡單,而且直接消除了共模干擾信號。而對於多路同一信號源被多個系統採樣的應用方式,飛電容同樣是解決這一問題的利器。

對於難以共地多個信號源進行隔離,模擬開關是不能採用的。而對於一般的模擬隔離方式,由於信號本身沒有共地點,必須配置多個隔離電源,系統複雜且昂貴。對於電流輸出的信號源來說,多數模擬信號隔離方式還要克服共模信號的抑制問題。

四、優點和缺點

飛電容方式沒有隔離電源,有效消除共模干擾,電路簡單,容易實現較高的可靠性。在對慢速變化的直流信號進行隔離時,特別是對那些多個系統採樣同一個信號源的場合,對信號源的精度幾乎不產生影響。

飛電容方式的另外一個優點是不再需要採樣保持電路,對於多路信號的同時採樣也非常容易實現。

飛電容方式的採樣速率受限於開關的動作頻率和信號迴路的時間常數。在工程應用中,採樣速率一般會在每秒幾K以下。這是限制飛電容方式應用領域的主要因素。

五、工程應用應考慮的問題

電容是信號傳遞的載體,選擇時應注意三個環節:材質和工藝、容量,耐壓。材質和工藝關注的是電容溫度穩定性、漏電流、等效串連電感等因素。容量的精度對信號的精度影響不大,但是容量的數量級對信號迴路的時間常數影響很大,對系統的整個時序也會產生間接影響。過小的電容容易引入信號的失真,而過大的容量則使整個系統的速度變慢。電容的耐壓一方面要考慮信號本身電壓上限,另外一方面,由於信號源一般要通過電纜傳輸等其他因素,耐壓應該有一定的安全余量。我曾經對 4-20MA信號串連一個250歐姆的電阻,選用了耐壓50V容量4700p的無感滌綸電容。

開關是飛電容的核心,應該說機械繼電器是不能採用的,主要是壽命因素。工程實踐中可以採用濕簧繼電器和PhotoMOS。濕簧繼電器採用水銀作為觸點,壽命很高,且觸點電阻相對較低,但是開關速率相對不高,我測繪的那個美國產品就是採用濕簧繼電器。PhotoMOS屬於光隔離固體繼電器一類的器件,體積小,開關速度相對高一些,缺點是導通電阻較大且離散。飛電容的信號輸出是不能直接進入普通的A/D進行轉換的,一般要經過一個高輸入阻抗的放大器進行信號調理,特別是對於採用PhotoMOS開關的情形,放大器的輸入阻抗至少要在數兆歐姆以上。

六、一個工程實例

前文提到對曾經對一個老發電廠搞過一個數據採集裝置,這個項目的背景情況是這樣,電廠有幾十個溫度和壓力儀錶,輸出採用4-20MA方式。大部分儀錶都接入閉環迴路進行控制。電廠希望搞一個計算機數據採集系統,在管理網路上可以監視這些溫度與壓力信號。要求新系統不能影響原有裝置的正常運行,且不能增加新的感測器,所以飛電容方式被採用作為信號隔離。

開關採用松下的PhotoMOS: AQW214,內部原理參見圖2,數據表可以從我的個人網站下載,URL地址為:http://www.psoc.cn/FileWarehouse/panasonic/aqw21_.pdf。

該部分的電路如下:

 

 

CTL1和CTL2來自微處理器的輸出經三極體放大后,可以在AQW214的發光管上產生25MA的電流。由軟體來切換電容的充電和採樣兩個環節。

T1 和T2兩個端子連接4-20MA輸入,經250歐姆電阻轉換成1-5V信號。多個通道的VOUT信號直接並聯,經電壓跟隨器緩衝後接入A/D。這個設計是一個特例,因為最小信號幅度已經達到1V,而AQW214關斷時,最大漏電流為1uA,小信號時誤差會比較大,而對於本系統影響很小。建議高精度隔離電路採用濕簧繼電器。

輸入轉換電阻為1%的精度,但是,軟體對每個通道的都有一個單獨的補償係數,最終系統的全量程精度達到了0.2%。

作者:李澎
Email: lipeng@psoc.cn




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