Наступила развязка

Не разобранное
Administrator
1 533
26-02-2018, 23:25
0

На вопрос: "Как лучше всего изолировать аналоговый сигнал?" ответ давно известен: "Лучше всего изолировать цифровой сигнал". По возможности надо уходить от изоляции аналоговых сигналов. Как вариант, при наличии сегодня дешевых микроконтроллеров с АЦП и ЦАП на борту, можно сначала преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, затем передать цифровой поток по любому интерфейсу (например, UART или 1-Wire), используя изоляторы цифровых сигналов, затем сигнал снова преобразовать в аналоговый. Хотя существуют и способы гальванической изоляции аналоговых сигналов.
Есть готовые решения для изоляции аналоговых сигналов. Это так называемые изолирующие усилители. Как пример - AD202 фирмы "Analog Devices". Это целый модуль, который не только выполняет изоляцию аналогового сигнала, но и обеспечивает изолированное питание для измерительной части.

Внутри для изоляции используется трансформатор. Сигнал на него подается через специальный модулятор. В результате на выходе будут присутствовать помехи с частотой работы модулятора 25 кГц (и гармоник этой частоты). Поэтому на выходе рекомендуется включать дополнительный фильтр. Полоса пропускания усилителя не очень широкая, порядка 2 кГц. Но самое главное, это цена.
Правда, недавно появились более дешевые варианты, такие как ADuM3190 и ADuM4190. Там используется преобразование аналогового сигнала в ШИМ-сигнал, который передается через изолятор на основе трансформатора, как и в других микросхемах серии ADuM.

Эти усилители обеспечивают полосу порядка 400 кГц и точность порядка 1%. Предназначены они для применения вместо оптронов в цепях обратной связи импульсных источников питания, поэтому их структура несколько специфична.

Другой принцип изоляции используется в изолирующих усилителях "Texas Instruments", например, ISO124 (раньше это была продукция "Burr-Brown"). Там аналоговый сигнал также преобразуется в ШИМ-сигнал, который в дифференциальном виде передается через конденсаторы небольшой емкости. Так же сделано и в цифровых изоляторах этой фирмы. Затем ШИМ-сигнал снова преобразуется в аналоговый. Усилитель обеспечивает полосу 50 кГц и нелинейность не более 0.01%. Но на выходе будут присутствовать помехи с частотой работы ШИМ-модулятора (500 кГц), может понадобится дополнительный фильтр.

Эта же фирма выпускает специализированные изолирующие усилители для снятия сигнала с токовых шунтов (например, AMC1301). Они используют дельта-сигма модуляцию и цифровой изолятор на основе конденсаторов. Входная часть приспособлена для снятия сигналов низкого уровня с токовых шунтов.
В изолирующих усилителях фирмы "Avago" используется оптическая изоляция. Примером может служить ACPL-7900 или HPCL-7800 (еще под маркой "Helwett Packard"). Такие усилители используют дельта-сигма модуляцию и оптроны для изоляции цифровых сигналов. Обеспечивается полоса до 200 кГц. Но, опять же, на выходе будет присутствовать некоторое напряжение помех, что требует дополнительного фильтра.

Начали появляться и какие-то китайские изолирующие усилители, но информация по ним довольно скудная.

Высокая стоимость и плохая доступность готовых микросхем изолирующих усилителей заставляет применять другие решения. Изолирующий усилитель вполне возможно собрать на дискретных компонентах, позаимствовав один из принципов изоляции из готовых устройств.
В EDN за August 02 2013 опубликована статься Francesc Casanellas "Σ-Δ Isolation amplifier transfers low frequencies across barrier". В ней приведена схема изолирующего усилителя на дискретных компонентах. В качестве барьера используется оптрон 6N136.

Фирма "Silicon Laboratories" в AN614 предлагает схему изолирующего усилителя на дискретных компонентах, в качестве барьера использующую цифровые изоляторы Si86xx этой же фирмы. Изоляция в них реализована на основе конденсаторов малой емкости, как и в микросхемах фирмы "Texas Instruments", только используется другой метод кодирования сигнала.

В настоящее время реализация ШИМ-модулятора может быть упрощена. Сейчас в качестве аудио усилителей мощности в носимых устройствах используются усилители класса D, где внутри имеется модулятор. Такие усилители выпускаются в виде небольших и недорогих микросхем, что позволяет довольно изящно строить изолирующие усилители. Схема такого изолирующего усилителя приведена в статье Thomas Kugelstadt "Signal chain basics: Isolating analogue signals". В качестве модулятора используется микросхема усилителя мощности TPA2006D1 фирмы "Texas Instruments", в качестве барьера - цифровые изоляторы ISO721 этой же фирмы. Обеспечивается полоса частот до 20 кГц.

Описанные выше изолирующие усилители лишь с натяжкой можно назвать аналоговыми. У них внутри сигнал преобразовывается в цифровой с помощью ШИМ или дельта-сигма модулятора, затем изолируется, затем делается обратное преобразование. Но существуют и настоящие аналоговые изолирующие усилители. В качестве барьера они используют специальные аналоговые (дифференциальные) оптроны, например, IL300 или HCNR200.

Оптрон способен передавать аналоговый сигнал, но при этом он является очень нелинейным элементом. Для компенсации нелинейности используется дополнительный фотоприемник, который включается в цепь обратной связи. Оба фотоприемника имеют близкие параметры, что обеспечивает передачу сигнала без искажений.
Когда случилось так, что для одной из халтурок понадобилось сделать изолирующий усилитель, я первым делом начал рыться в двух местах: Интернете и ящике рабочего стола. Требовалось найти хоть какие-то совпадения в результатах поиска. Таким совпадением явился найденный в хламе оптрон HCNR200. На нем и было решено сделать изолирующий усилитель. В системе есть двухполярное стабилизированное питание 12 В на обеих сторонах барьера, требуется передавать двухполярный сигнал размахом до 10 В и полосой до 10 кГц. В итоге получилась такая схема:

Подобные оптроны характеризуются тремя коэффициентами передачи тока: k1 - от светодиода до первого фотодиода, k2 - от светодиода до второго фотодиода и k3 = k2/k1. Коэффициент k3 определяет коэффициент передачи схемы, в идеальном случае k3 = 1. Но, к сожалению, оптроны могут иметь значительный разброс (до 15%), что делает необходимым подстройку усиления и смещения. Впрочем, если выходной сигнал поступает на АЦП, такую подстройку можно сделать и в цифровом виде. Коэффициенты k1 и k2 имеют сравнительно невысокое значение, для HCNR200 порядка 0.5%. Поскольку надо передавать двухполярный сигнал, требуется смещение рабочей точки. Смещение реализовано с помощью резисторов R3R4 и R7 прямо от источников питания (они стабилизированы). Если напряжение питания не стабилизировано, для получения смещения могут потребоваться отдельные стабилизаторы напряжения или тока. Рабочая точка выбирается исходя из того, чтобы при нулевом входном сигнале ток светодиода был примерно равен половине максимального рабочего тока.
Эта схема представляет собой чистый аналоговый изолятор. Со своими плюсами и минусами. Поскольку в схеме не производится никакой модуляции, уровень помех будет низкий. Хотя будет присутствовать некоторый широкополосный шум, как и у любой аналоговой схемы. Линейность схемы получилась вполне удовлетворительная, порядка 0.1%. Полоса пропускания - примерно 20 кГц. Мне больше не требовалось, хотя на таких оптронах можно получить и более широкую полосу. В публикации M. J. Pan и др. "Wide-band optical coupling isolation amplifier for the Joint TEXT tokamak" описывается изолирующий усилитель с полосой 2.7 МГц на основе HCNR201.
Конечно, аналоговые оптроны нельзя назвать распространенными компонентами. Но подобный изолирующий усилитель можно построить и на обычных оптронах. Можно взять два отдельных оптрона одного типа, но лучше взять сдвоенный оптрон, например, PC826, PC827, ILD615, ILD621, LTV826. Схемы изолирующих усилителей на таких оптронах тоже попадаются в Интернете, но их не делал, меня выручил подручный хлам.