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飞电容:模拟信号隔离方法之一

飞电容:模拟信号隔离方法之一

问题的由来
在电子工程专辑的论坛里,有个网友提问:如何解决4-20MA信号的隔离问题。我立刻想到了20多年前解剖的一个美国产品的过程,感觉在这里写个帖子,可能会对大家有启发。
这里要声明的是本文所论述的内容应该算是转述,有关“飞电容”概念的提出应该是接近或者超过30年。1983年我读硕士生2年级的时候,见到了一家美国公司的一块数据采集板,当时测绘了其原理图,由于搞不到整机的软件,并没有真正理解这个电路的工作原理。为了选择硕士论文的题目,当时我主要是泡在图书馆里看IEEE的文章。一个偶然的机会读到了一篇讲述"Flying Capacitor"文章的题目,老师给的方向是SCADA,电容能不能飞上天应该不属于这个方向,具体内容没有看就翻过去了。中午去餐厅的路上,又在琢磨测绘的板子的原理。板子中心位置显著的有8个米黄色的无感电容,应该是一个关键吧?想到电容,思绪转向了Flying Capacitor,电容怎么会飞?下午一定好好看看。
几年以后,在为一个1950年代建设的老电厂进行计算机监控的项目中,运用过飞电容原理,效果还算不错。
二、什么叫“飞电容
下图是一个飞电容的示意图。K1是一个双刀双掷继电器。当开关切换到Vi侧时Vi给电容C1充电或放电,经过一个短暂的过渡过程以后,电容两端的电压应该跟Vi相同。当开关切换到Vo侧时,如果负载阻抗达到无穷大,由于电容C1的蓄能功能,Vo应该与切换前的Vi相等。从而完成了Vi的隔离转换功能。
三、应用领域分析
飞电容隔离方式适合采用速率不是很高的直流信号的隔离。对于多路电流方式(如4-20MA)输出的信号,一般的隔离措施很难解决共地的问题,飞电容方式就非常简单,而且直接消除了共模干扰信号。而对于多路同一信号源被多个系统采样的应用方式,飞电容同样是解决这一问题的利器。
对于难以共地多个信号源进行隔离,模拟开关是不能采用的。而对于一般的模拟隔离方式,由于信号本身没有共地点,必须配置多个隔离电源,系统复杂且昂贵。对于电流输出的信号源来说,多数模拟信号隔离方式还要克服共模信号的抑制问题。
四、优点和缺点
飞电容方式没有隔离电源,有效消除共模干扰,电路简单,容易实现较高的可靠性。在对慢速变化的直流信号进行隔离时,特别是对那些多个系统采样同一个信号源的场合,对信号源的精度几乎不产生影响。
飞电容方式的另外一个优点是不再需要采样保持电路,对于多路信号的同时采样也非常容易实现。
飞电容方式的采样速率受限于开关的动作频率和信号回路的时间常数。在工程应用中,采样速率一般会在每秒几K以下。这是限制飞电容方式应用领域的主要因素。
五、工程应用应考虑的问题
电容是信号传递的载体,选择时应注意三个环节:材质和工艺、容量,耐压。材质和工艺关注的是电容温度稳定性、漏电流、等效串连电感等因素。容量的精度对信号的精度影响不大,但是容量的数量级对信号回路的时间常数影响很大,对系统的整个时序也会产生间接影响。过小的电容容易引入信号的失真,而过大的容量则使整个系统的速度变慢。电容的耐压一方面要考虑信号本身电压上限,另外一方面,由于信号源一般要通过电缆传输等其他因素,耐压应该有一定的安全余量。我曾经对4-20MA信号串连一个250欧姆的电阻,选用了耐压50V容量4700p的无感涤纶电容。
开关是飞电容的核心,应该说机械继电器是不能采用的,主要是寿命因素。工程实践中可以采用湿簧继电器和PhotoMOS。湿簧继电器采用水银作为触点,寿命很高,且触点电阻相对较低,但是开关速率相对不高,我测绘的那个美国产品就是采用湿簧继电器。PhotoMOS属于光隔离固体继电器一类的器件,体积小,开关速度相对高一些,缺点是导通电阻较大且离散。飞电容的信号输出是不能直接进入普通的A/D进行转换的,一般要经过一个高输入阻抗的放大器进行信号调理,特别是对于采用PhotoMOS开关的情形,放大器的输入阻抗至少要在数兆欧姆以上。
六、一个工程实例
前文提到对曾经对一个老发电厂搞过一个数据采集装置,这个项目的背景情况是这样,电厂有几十个温度和压力仪表,输出采用4-20MA方式。大部分仪表都接入闭环回路进行控制。电厂希望搞一个计算机数据采集系统,在管理网络上可以监视这些温度与压力信号。要求新系统不能影响原有装置的正常运行,且不能增加新的传感器,所以飞电容方式被采用作为信号隔离。开关采用松下的PhotoMOS: AQW214。
CTL1和CTL2来自微处理器的输出经三极管放大后,可以在AQW214的发光管上产生25MA的电流。由软件来切换电容的充电和采样两个环节。
T1和T2两个端子连接4-20MA输入,经250欧姆电阻转换成1-5V信号。多个通道的VOUT信号直接并联,经电压跟随器缓冲后接入A/D。这个设计是一个特例,因为最小信号幅度已经达到1V,而AQW214关断时,最大漏电流为1uA,小信号时误差会比较大,而对于本系统影响很小。建议高精度隔离电路采用湿簧继电器。
输入转换电阻为1%的精度,但是,软件对每个通道的都有一个单独的补偿系数,最终系统的全量程精度达到了0.2%。
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