收稿日期:2001-02-23

作者简介:方中奇(19-),男,江苏苏州人,大学本科,工程师,主要从事广电信号的传输及光通讯工作。

基础自动化Basic Automation Feb.2002Vol.9,No.1

2002年2月第9卷第1期

文章编号:100523662(2002)0120061202

采用V/F 和F/V 转换实现模拟量的隔离

方中奇,周惠敏

(吴县广播电视局网络中心,江苏吴县　215128)

摘　　　要:介绍采用电压2频率2电压转换实现模拟量隔离的方法,给出了LM331的应用实例及技术指标,

该电路可实现现场信号与测量电路的隔离和相邻输入通道间的隔离。关　键　词:电压频率转换;模数转换;信号隔离中图分类号:TP 353　　　文献标识码:B

1　引　言

在控制和测量系统中,电量或非电量输入通过传感器和前置电路接入后续电路处理,在数字系统中,一般为AD 转换器件。由于外部信号通常来自于不同的对象,对于高共模电压下的低电平信号必须采取相应措施完成信号的转换和隔离。采用V/F 转换和光电隔离将模拟输入转换为频率信号处理是模拟信号转换和隔离的一种有效的方法。测量电路可以多种方式实现模拟量测量,应用A/F 变换电路也可直接测量频率或周期。实现V/F 和F/V 转换有多款单片集成电路可完成,其中NS 公司的LM331具有简单的外围电路,较高的性能价格比,可单电源供电,低功耗等优点。本文介绍采用LM331实现的模拟输入隔离模块的设计。

2　电路特点

LM331适宜应用于多种场合,当用作电压频

率转换时,其输出为频率正比于输入电压的脉冲串,该脉冲可通过简单的光电耦合实现输入输出隔离克服高共模电平。此外LM331采用的温度补偿电路能提供在整个工作温度范围内的转换精度保证。其主要特征包括:

①最大线性度:0.01%。②双电源或单电源供电,5～40V 。③温度稳定性50ppm/℃。④低功耗5V 供电时15mW 。⑤宽动态范围:在10kHz 满刻度输出时最小100dB 。⑥输出满刻度频

率:1Hz ～100kHz 。

LM331的简化内部结构如图1所示,它是一

个八脚芯片,其中R t ,C t ,R s ,R L ,C L 是外加元件,其工作原理简述如下

:

图1　LM331简化内部结构

1—恒电流输出;2—参考电流输出;3—频率输出;4—地;

5—RC 回路输入;6—门槛电平输入;7—比较器输入;8—电源VDD (+5～+18V )。

脚7的正输入电平V in 和脚6电平V x 在电

压比较器中相比较,如果V in 大于V x ,比较器输出触发单稳定时器延时T =1.13R t 3C t ,定时器输出导通输出晶体管,同时切换电流源对C L 充电,充电电流断开,单稳定时器自复位。此时C L 通过R L 放电直到V x 小于V in ,然后开始下一个周期。流入C L 的平均电流I AVE =i 31.13R t 3C t 3f ,流出C L 的电流V x /R L =V in /R L ,当电源电压在319V ～40V 范围变化时,带间歇的参考电压可维持在119V ,因此i =1.9V /R s ,电路工作平衡时,即可得到:

f out =V in 3R s /(21093R L 3R t 3C t )在F/V 方式工作时,频率为f in 的输入脉冲经C 、R 微分电路接至引脚6,脉冲的负跳沿经比

V out=(f in321093R L3R t3C t)/R s

3　设计和应用

模拟量的隔离输入可由V/F和F/V转换对组成,U1为工作于V/F方式的LM331,U2为工作于F/V方式的LM331,U3为BURR2BROWN 公司的微功率DC2DC转换器DCP0105,该DC2 DC为前级电路提供工作电源,它具有1000V的均方根电压绝缘,U4为运算放大器LM324组成前级信号预处理,为了在零输入时LM331能提供下限输出电压,在F/V转换电路中设置了直流偏置,由图2组成的模拟量隔离电路的输入动态范围应受到电源电压的,LM331可在4～40

V

图2　模拟量隔离电路图

供电范围工作,当采用DCP0105作为直流隔离

时,LM331输入动态范围应在0～315V。前

置放大器的R4和R5用于调整输入范围,电位器

P1调整该电路的零输入时的输出。当工作于

V/F和F/V状态下的一对LM331的外围电路参

数一致时,电路的调试是非常简单的,其转换关系

可用下式表示:

V out=K3V in+V z

式中,V z为零输入时的输出,系数K由前置电路

确定,LM331外围电路参数的离散性引起的误差

也可通过前置电路的调整补偿。

4　结　语

该电路在同步电动机励磁控制系统的转子参

数测量中获得了成功应用。控制系统以微控制器

为核心,同步电机的转子在电机运行过程中将感

应出交流电压,同时信号取样部分与控制器存在

电位差,采用该电路提高了采样的实时性和降低

了系统成本。应用该模拟量隔离模块后,转子回

路的电压和电流参数由控制器A/D通道实时测

量,系统工作稳定可靠。

参考文献:

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Analog Input Insulation Based on V/F and F/V Conversion

FA N G Zhong2qi,ZHO U Hui2m i n

(Wuxian Radio and Television Bureau,Jiangsu Wu County215128,China)

Abstract:A A/D convert method by V/F conversion is introduced.The circuit based on LM331device and technic target and its features are presented.The insulation can complete between signals in spot and measure circuit and border input channels. K ey w ords:voltage2to2frequency convert;analog2to2digital convert;signal insulation

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