交流信号转直流信号电路设计

　　隔离电路工作原理

　　由SLC800的LED，二极管PD1及运放U2A组成隔离电路的信号输入部分，二极管PD2及电阻R10构成隔离电路的输出部分。假定该隔离电路的输入电压为V_i，输出电压为V_o，SLC800的LED、PD1、PD2产生的电流分别为I_f、I₁、I₂，LED发光二极管与在PD1、PD2上产生的电流比分别为K₁、K₂，同时PD1与PD2的电流比定为K₃^[2]。当电压信号经过R₇→U2A+→R₈→LED→PD1→U2A-/R₉，此时运放U2A正好工作于深度负反馈中，使得SLC800产生一个稳定的输出。

　　从SLC800数据手册可知，I₂=K₃*I1，I₁=K₁*I_f，由于I_f=V_i/R₈，V_o=I₂*R₁₀，故：

　　V_o=K₁*K₃*(R₁₀/R₈)*V_i (3)

　　式(3)中K₁和K₃为每个芯片的特性参数^[2]，因此根据输入信号范围可适当选取R₈和R₁₀的阻值，以获取合适的输出电压范围。隔离电路中R₈不仅用于调节电流I_f大小，同时还用来调节由于芯片之间K值的分散度而导致的SLC800实际输出电压与设计值之间的偏差。

　　线性输出电路

　　线性输出电路主要是实现线性电流的输出和调节整个变送模块的输出零点与量程。其构成及具体功能如下：

　　可调电阻R₂₁和U3A组成线性输出电路的调零电路。2.5V直流参考电压从稳压管TL431获得，通过可变电阻器R₂₁分压调节整个电路最终输出电流的零点。U3B用作光耦SLC800输出的直流电压V_o(见图4)的输入缓冲器，用来提高信号输入阻抗，降低信号的负载。

　　运放U3A、U3B、U4A构成同相求和电路，可调电阻R₂₂为线性输出电路的量程调节电阻器。U4B与R₁₇、R₁₈、Q₁构成深度负反馈，实现输出直流电流与输入信号成线性关系的功能。具体原理图详见图5。

　　隔离电源

　　信号隔离不仅需要信号回路的前后级隔离，同时也要把信号回路前后级的供电隔离，这样以避免因干扰通过供电电源对后级输出产生影响。本次设计采用的隔离电源是金升阳公司生产的A1209D-2W，它具有体积小，隔离电压高，温度特性好等优点^[4]。

　　测试结果

　　分别选正弦波、三角波、锯齿波3种不同交流信号作为输入，此次测试输入的有效值为0～1.2V，测试结果显示整个电路误差保持在0.1%之内，满足了一般现场的精度要求，测试数据详细见表1。

　　结束语

　　经过多次测试和现场用户使用反馈，该模块不仅精度高、线性度好而且稳定。同时其体积比较小，对现场空间要求不高，便于安装。模块中所用的器件多为通用元件，价格低且易于购买，大量使用时具有明显的成本优势。使其不仅可以作为独立仪器使用，也可嵌入到现有的直流输入仪表及数据采集单元中，扩展其信号输入种类。因此，在解决交直流信号转换问题上该模块具有很好的应用空间和市场价值。

　　参考文献：
　　[1]童诗白,模拟电子技术基础[M].第二版.北京:高等教育出版社,1998
　　[2]Solid State Optronics.SLC800数据手册[Z].Rev 2.0,2012-09-17
　　[3]NI Multisim Fundamentals
　　[4] Mornsun.A_D-2W&B_D-2W系列数据手册[Z].2012
　　[5]Analog Devices Inc,. AD711英文产品数据手册[Z]Rev E, 2002