在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、高精度數(shù)據(jù)采集、長(zhǎng)距離通信、高低壓混合系統(tǒng)等電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要用到隔離電路，一般來說，常用的隔離方式有光耦合隔離和磁耦合隔離兩種，光耦合隔離方式適合傳輸?shù)皖l信號(hào)和直流信號(hào)，但功耗較大；磁耦合隔離方式適合傳輸高頻信號(hào)，不能用于直流或低頻信號(hào)的傳輸，且需要對(duì)隔離輸出信號(hào)整形后才能為接收數(shù)字電路使用，但其功耗較小。
然而在大多數(shù)的隔離電路設(shè)計(jì)實(shí)踐中，往往既需要隔離傳輸?shù)皖l信號(hào)甚至是直流，又需要傳輸幾兆赫茲以上的高頻信號(hào)。例如在隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號(hào)有ADC的控制信號(hào)(直流電平)、ADC工作時(shí)鐘信號(hào)(幾兆甚至更高頻率的信號(hào))，在這樣的應(yīng)用條件下，如果單用光耦合隔離方式或磁耦合隔離方式都很難滿足電路的工作要求。兩種隔離方式組合工作又會(huì)使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，增加系統(tǒng)功耗。因此在數(shù)字寬頻隔離電路的設(shè)計(jì)中，要么選用響應(yīng)頻率更高的光耦合隔離器件(同時(shí)帶來功耗增加、成本上升、時(shí)序調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn))，要么設(shè)法解決磁耦合隔離器件不能傳輸?shù)皖l信號(hào)的問題。
本文通過對(duì)磁耦合隔離原理的分析，提出一種磁耦合隔離電路改進(jìn)方法，采用此方法后，可以使磁耦合隔離電路即能傳輸高頻信號(hào)，又能準(zhǔn)確恢復(fù)低頻信號(hào)，從而很好的解決了磁耦合隔離電路不能傳輸?shù)皖l信號(hào)的問題，拓展磁耦合隔離電路的應(yīng)用范圍。
1 磁耦合隔離電路的基本原理
磁耦合隔離(脈沖變壓器隔離)是指利用電磁感應(yīng)原理，把需要傳輸?shù)淖兓盘?hào)加在變壓器的初級(jí)線圈，該信號(hào)在初級(jí)線圈中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使次級(jí)線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級(jí)感應(yīng)出與初級(jí)線圈激勵(lì)信號(hào)相關(guān)的變化信號(hào)輸出，在整個(gè)信號(hào)的傳輸過程中，初級(jí)與次級(jí)之間沒有發(fā)生電連接，從而達(dá)到隔離初次級(jí)的目的。
由于只有變化的信號(hào)電流才能在磁耦合隔離電路的初級(jí)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，從而在次級(jí)電路中感應(yīng)出輸出信號(hào)，只有變化頻率高于某一值的信號(hào)才能在初次級(jí)之間傳輸，而變化頻率較低的信號(hào)在傳輸過程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，直流信號(hào)不能在初次級(jí)之間傳輸。因此普通的磁耦合隔離技術(shù)只能在高頻信號(hào)的隔離傳輸中使用。
磁耦合隔離的傳輸波形如圖1所示。
通過上圖可以看出，高頻信號(hào)(1．27 MHz)可以基本不失真的被隔離傳輸，低頻信號(hào)(10 kHz)經(jīng)磁耦合隔離后波形畸變嚴(yán)重。由此證明，如不對(duì)磁耦合隔離電路進(jìn)行改進(jìn)，就不能應(yīng)用于對(duì)低頻信號(hào)的隔離傳輸。為了使磁耦合隔離技術(shù)能夠應(yīng)用于對(duì)低頻信號(hào)的隔離傳輸，本文設(shè)計(jì)了一種新型磁耦合隔離電路。
2 磁耦合隔離電路設(shè)計(jì)原理
如果將需要傳輸?shù)牡皖l信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，再用磁耦合隔離電路隔離傳輸，在接收端再用解調(diào)電路提取出低頻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)用磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號(hào)的目的。但是這種方法就必須在隔離電路的初、次級(jí)加入調(diào)制和解調(diào)電路，這樣做不僅電路復(fù)雜、功耗較大、而且信號(hào)傳輸?shù)难舆t不可控，因此在電路設(shè)計(jì)中很少采用。本文設(shè)計(jì)的新型磁耦合隔離電路不用調(diào)制和解調(diào)電路就可以實(shí)現(xiàn)低頻和直流信號(hào)的磁耦合隔離傳輸，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小，信號(hào)傳輸延遲很小。
2．1 基本原理
該設(shè)計(jì)的基本原理是：在不大量增加電路成本和不增加信號(hào)傳輸延遲的條件下，設(shè)法使對(duì)低頻信號(hào)的磁耦合隔離傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)高頻信號(hào)的磁耦合隔離傳輸，并在接收端恢復(fù)出需要傳輸?shù)男盘?hào)。
觀察需要傳輸?shù)皖l數(shù)字信號(hào)的波形，它是一位變化的數(shù)字信號(hào)，其特征與一位計(jì)數(shù)器的輸出十分相似。受此啟發(fā)，假設(shè)需要傳輸?shù)男盘?hào)在接收端就是一個(gè)一位計(jì)數(shù)器的輸出，那么對(duì)于此計(jì)數(shù)器，只要知道它的初始狀態(tài)，計(jì)數(shù)脈沖的發(fā)生時(shí)刻，就可以很容易地得到其任意時(shí)刻的輸出波形。在發(fā)送端只需要發(fā)送信號(hào)狀態(tài)變化的信息，在接收端就能夠根據(jù)此信息重建低頻信號(hào)。
2．2 低頻信號(hào)傳輸
如前所述，磁耦合隔離電路的接收端如果用一位計(jì)數(shù)器重建輸出信號(hào)的話，那么在電路的輸入端就應(yīng)是一位計(jì)數(shù)器的逆，即將輸入的低頻傳輸信號(hào)看作計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)，根據(jù)計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)變化反推出計(jì)數(shù)脈沖，再將此計(jì)數(shù)脈沖隔離輸出到接收端，控制接收端輸出的變化，從而實(shí)現(xiàn)在輸出端重建傳輸信號(hào)的功能。
在輸入端根據(jù)低頻傳輸信號(hào)構(gòu)建出的計(jì)數(shù)脈沖的寬度受3個(gè)條件的限制：1)隔離電路傳輸信號(hào)的上限頻率；2)脈沖變壓器的響應(yīng)頻率；3)計(jì)數(shù)器的上限工作頻率。關(guān)于脈沖寬度的選取，在后面的將有詳細(xì)說明。
2．3 直流信號(hào)傳輸
計(jì)數(shù)器的初始態(tài)和計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生時(shí)刻決定計(jì)數(shù)器任意時(shí)刻的輸出，為了傳輸直流電平，在電路上電之初，將隔離電路的初級(jí)和次級(jí)復(fù)位到‘0’，如果要傳輸?shù)男盘?hào)為低電平，則隔離電路不會(huì)有計(jì)數(shù)脈沖傳輸，次級(jí)輸出保持低電平不變；加電后后如果傳輸高電平，則相當(dāng)于在電路初級(jí)施加了一個(gè)由低到高的電平跳變，此跳變使初級(jí)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖并傳輸?shù)酱渭?jí)接收計(jì)數(shù)器，次級(jí)接收計(jì)數(shù)器的輸出在初始電平的基礎(chǔ)上發(fā)生反轉(zhuǎn)，變成高電平輸出，并一直保持到下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來為止。這樣無論是高電平還是低電平在次級(jí)都會(huì)得到完整恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)直流電平磁耦合隔離傳輸?shù)墓δ堋?br />
3 磁耦合隔離電路的實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)磁耦合隔離傳輸?shù)皖l或直流信號(hào)的功能，初級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和次級(jí)接收電路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)隔離傳輸，這里在一片CPLD中用VHDL語(yǔ)言分別描述實(shí)現(xiàn)初級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和次級(jí)接收電路，圖2是新型磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)框圖，它們被配置在一片CPLD中，構(gòu)成磁耦合隔離收發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊，模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)在下面詳細(xì)說明。
3．1 初級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)
磁耦合隔離電路初級(jí)驅(qū)動(dòng)單元由Inputs和Drive兩個(gè)模塊組成，其中InputS模塊完成對(duì)輸入電路的復(fù)位，Drive模塊用于產(chǎn)生與輸入信號(hào)狀態(tài)變化相關(guān)的窄脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。兩模塊的VHDL實(shí)現(xiàn)說明如下：
3．1．1 InputS模塊的實(shí)現(xiàn)
為了保證發(fā)送和接收信號(hào)的電平變化同步，在隔離驅(qū)動(dòng)單元上電時(shí)必須首先對(duì)初級(jí)驅(qū)動(dòng)單元和接收單元復(fù)位。以保證兩單元的初始態(tài)相同。如果需要隔離傳輸高電平信號(hào)，在復(fù)位過程結(jié)束后，在初級(jí)驅(qū)動(dòng)單元必須自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)由低到高的跳變，以便使次級(jí)接收電路同時(shí)把輸出電平由復(fù)位狀態(tài)反轉(zhuǎn)剄高電平，保證初級(jí)、次級(jí)初始電平一致，自動(dòng)產(chǎn)生的由低到高的跳變必須在復(fù)位信號(hào)結(jié)束后再延遲一段時(shí)間，在Drive模塊穩(wěn)定工作后產(chǎn)生。以此保證該跳變沿被Drive模塊響應(yīng)。
3．1．2 Drive模塊的實(shí)現(xiàn)
Drive模塊完成的功能是：在復(fù)位信號(hào)EnT=‘0’時(shí)使DriveOut=‘0’，在EnT=‘1’時(shí)，在每一個(gè)TranS的跳變延產(chǎn)生一個(gè)40ns的脈沖輸出，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的初級(jí)線圈。
Drive模塊的VHDL實(shí)現(xiàn)如下：
3．1．3 初級(jí)驅(qū)動(dòng)單元的功能仿真
使用QuartusII 9．0對(duì)磁耦合隔離電路初級(jí)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行功能仿真，得到功能仿真曲線如圖3所示。
從上圖看出，在1的位置后，雖然沒有輸入信號(hào)(SInput)的變化，輸出驅(qū)動(dòng)波形中也產(chǎn)生了一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，這就是為了保證在輸入信號(hào)初始值為高電平時(shí)保持輸入和輸出的一致，由電路自動(dòng)加入的；在位置2，復(fù)位后次級(jí)接收電路初始態(tài)已經(jīng)為低電平，輸入信號(hào)的初始值也為低電平，隔離輸入輸出一致，故不需要自動(dòng)加入驅(qū)動(dòng)脈沖。
3．2 次級(jí)接收模塊的實(shí)現(xiàn)
Receive構(gòu)成磁耦合隔離電路的次綴接收模塊，該模塊完成的功能為：在復(fù)位信號(hào)到來后，接收電路復(fù)位輸出為‘0’，而后每接收到一個(gè)脈沖，輸出反轉(zhuǎn)一次。由于復(fù)位后接收模塊的初始態(tài)已與初級(jí)輸入信號(hào)的初始值一致，初級(jí)輸入信號(hào)每發(fā)生一次跳變，初級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)脈沖，因此在任何時(shí)刻，次級(jí)接收電路的輸出都與初級(jí)輸入信號(hào)一致。從而實(shí)現(xiàn)低頻或直流信號(hào)的磁耦合隔離傳輸。該模塊實(shí)際上就是一個(gè)帶復(fù)位功能的一位計(jì)數(shù)器，關(guān)于它的VHDL實(shí)現(xiàn)在參考文獻(xiàn)中有現(xiàn)成的例子，此處不再贅述。
InputS模塊的功能仿真波形如圖4所示。
3．3 模塊工作頻率的說明
一般來說，對(duì)于上升沿持續(xù)時(shí)間在50ns左右脈沖變壓器，傳輸信號(hào)跳變沿驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度至少應(yīng)大于此時(shí)間，在本設(shè)計(jì)中，選用60 ns的脈沖作為傳輸信號(hào)跳變沿驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，為了使兩個(gè)相鄰的傳輸信號(hào)跳變沿驅(qū)動(dòng)脈沖能夠被接收模塊準(zhǔn)確識(shí)別，它們之間應(yīng)至少間隔一個(gè)脈沖寬度的時(shí)間，這樣算起來，傳輸信號(hào)的最短持續(xù)時(shí)間應(yīng)為120ns，而對(duì)于直流信號(hào)上述模塊也能準(zhǔn)確傳輸(原理前面已經(jīng)述及)，因此該模塊傳輸信號(hào)的頻率范圍是0～8 MHz。對(duì)于高于8 MHz的數(shù)字信號(hào)，模塊將不能正確工作。
上述分析是在脈沖變壓器上升沿為50ns的前提下給出的，如果上升沿時(shí)間再短些，模塊的工作頻率上限還可提高。
3．4 新受磁耦合隔離電路應(yīng)用
新型磁耦合隔離模塊的應(yīng)用電路如圖5所示，該電路用于完成信號(hào)Sin1到Sour2，Sin2到Sout1的磁耦合隔離傳輸。在電路中，U1、U2為脈沖變壓器ITNA-0235-D103，上升沿持續(xù)時(shí)間50 ns；U3、U4為Schmitt觸發(fā)器，用于將脈沖變壓器輸出的信號(hào)整形成脈沖信號(hào)，測(cè)試點(diǎn)①② ③的信號(hào)波形如圖前面中所示。R5、C1和R6、C2分別組成兩個(gè)磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)模塊的上電復(fù)位電路，兩個(gè)復(fù)位電路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)在10μs左右，以保證模塊穩(wěn)定復(fù)位；R1、R2和R3、R4分別組成兩個(gè)電平移動(dòng)電路，用于將脈沖變壓器輸出的交流信號(hào)移動(dòng)到0～VCC的范圍。在模塊配置到CPLD時(shí)DriveOut引腳必須配置成ITL模式以增加電流驅(qū)動(dòng)能力。電路在實(shí)際使用時(shí)，EnT與EnR可以改成由邏輯信號(hào)直接控制，這樣就可以使驅(qū)動(dòng)模塊穩(wěn)定時(shí)間可控，在由于受到干擾而使電路出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以通過施加EnT與EnR信號(hào)使電路恢復(fù)正常工作。
對(duì)上述電路測(cè)試，得到如下測(cè)試結(jié)果：
1)電路能夠準(zhǔn)確傳輸直流信號(hào)；
2)對(duì)小于8 MHz的數(shù)字信號(hào)跳變沿的傳輸延遲小于50 ns，對(duì)于8 MHz以上的數(shù)字信號(hào)上述電路不能工作；
3)電路功耗，由于用于信號(hào)傳輸驅(qū)動(dòng)的邏輯電路只占CPLD的很小部分(在應(yīng)用電路中，CPLD選用EPM240TC100，使用16個(gè)邏輯單元，占總邏輯單元數(shù)的7％，其他單元用作別的用途)，準(zhǔn)確功耗很難測(cè)量，但是在傳輸直流信號(hào)時(shí)磁耦合隔離部分的功耗與光隔的功耗對(duì)比就足以說明問題。傳輸高電平時(shí)，光隔電路需要持續(xù)消耗10 mA的電流，以維持穩(wěn)定輸出高電平；而上述磁耦合隔離電路則只需要在最初的40 ns內(nèi)消耗電流，其他時(shí)間磁耦合隔離部分消耗的電流為0，因此傳輸直流信號(hào)時(shí)，上述電路的功耗要遠(yuǎn)小于光隔電路。
4 結(jié)論
該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：1)以窄脈沖表示傳輸信號(hào)的狀態(tài)改變；2)以窄脈沖的磁耦合隔離傳輸代替輸入信號(hào)的隔離傳輸，降低隔離電路的功耗；3)實(shí)現(xiàn)低頻和直流信號(hào)的磁耦合隔離傳輸；4)驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，接收和發(fā)送模塊共需要16個(gè)邏輯單元就可實(shí)現(xiàn)上述功能；5)信號(hào)傳輸延遲很小。
存在的問題：1)傳輸信號(hào)的上限頻率受限，只能傳輸0～8 MHz的方波信號(hào)；2)在電路上電到復(fù)位信號(hào)結(jié)束的一段時(shí)間(10μs以內(nèi))，電路不能正確傳輸信號(hào)，必須保證在此時(shí)間段內(nèi)傳輸信號(hào)狀態(tài)穩(wěn)定，否則后面的信號(hào)將全部錯(cuò)誤。
總之，正是由于該設(shè)計(jì)具有電路簡(jiǎn)單、功耗小、能夠?qū)崿F(xiàn)磁耦合隔離傳輸?shù)皖l信號(hào)，且信號(hào)傳輸延遲很小等特點(diǎn)，拓展了磁耦合隔離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。