電量隔離傳感器數字化技術
深圳圣斯爾電子技術有限公司（518028）羅德泉
摘要：本文介紹了電量隔離傳感器的基本工作原理和數字化技術的相關問題。
關鍵詞：電量隔離傳感器 數字接口 監控 單片機應用
一、 概述
電量隔離傳感器/變送器是針對工程中的電量檢測(監測)，提高系統的整體抗干擾能力，而研制開發的一種小體積、高性能的電量測試部件(產品)。
電量隔離傳感器/變送器可以對現場的大電流、高電壓、功率、頻率、相角、電度等電參量進行隔離測量和變換，也可以對各種微弱信號(如各種橋路信號)進行隔離放大和變換，將其調理后，變換成符合國際通用標準的電壓、電流、頻率等模擬信號或變換成數字量、開關量狀態等信號輸出。這些輸出信號可以和傳統的指針式儀表相接，也與現代的數字式自控儀表、各種A/D轉換器以及計算機系統直接配接，從而可以形成一個高可靠的工業檢測(監測)或控制系統。
由于電量隔離傳感器在應用中，用戶不需做二次開發工作，高電壓或大電流信號可以直接接入產品，（通過端子、插針輸入或穿孔方式輸入），就可以得到相應的輸出信號。因此電量隔離傳感器作為信號調理、隔離和變換功能摸塊，是工業控制和數據采集系統中比較理想的變送器產品。
隨著科學技術的不斷發展，工業控制或檢測(監測)系統對電量隔離傳感器的要求也越來越高，特別是在產品的穩定性、檢測精度和功能方面。由于數字化產品不論其性能還是功能，如非線性校正和小信號處理方面，模擬產品是不可比擬的。因此，電量隔離傳感器的數字化是一種必然趨勢。
下面就電量隔離傳感器的工作原理和其數字化技術問題作一個簡述，供大家參考。
二、 電量隔離傳感器基本工作原理
由于電量隔離傳感器產品的被檢測對像主要是電流和電壓信號，所以下面主要介紹電流和電壓信號的檢測原理。
1 交流信號檢測原理
交流信號又分為交流電壓和電流信號。,圖1為交流電流信號的檢測原理框圖，圖2為交流電壓信號的檢測原理框圖，由CT和PT對信號進行隔離，電流為穿孔輸入方式，電壓為端子接線輸入方式。
圖2 交流電壓信號產品原理框圖
其中，CT為電流互感器，PT為電壓互感器，輸出一般為0~5V或4~20mA。
2、直流信號檢測原理
圖3為直流信號檢測原理框圖
圖3直流信號產品原理框圖
直流信號分為直流電壓和直流電流，直流電流一般是通過電阻取樣，直流電壓一般用電阻降壓處理。由一個隔離電源向前置放大器供電。
由上述原理框圖可以看出，不論是交流信號還是直流信號，輸入輸出都是完全隔離的，一般，現場輸入信號都是大電流或高電壓，這樣電量隔離傳感器就可以把現場信號與低壓數據采集系統完全隔離，避免系統受到強信號的干擾，從而提高系統的可靠性。
三、 電量隔離傳感器數字化技術
圖4為一種交流信號數字式電量隔離傳感器的組合框圖，它由互感器、數據處理、接口、T/V變換和輸出等部分組成。
圖4交流信號數字式電量隔離傳感器原理框圖
互感器有電流互感器和電壓互感器兩種，電流互感器一般為穿孔方式，電壓互感器在其原邊一般需要加限流電阻；
數據處理部分是產品數字化的核心部分，目前一般都選用帶A/D轉換器單片機，如PIC16C74、MSP430或ADCUC812等，因此，電路可以很簡單。如果選ADUC812單片機，則可以直接輸出0~5V電壓信號，因為其內部包含有兩個12位的D/A轉換器；
接口部分是數字信號輸出的變換電路，目前廣泛采用的是RS-485總線接口，最常用的接口芯片為ADM483，它可以最多掛接32個節點，當然現在也有許多其它類似芯片。RS-232接口一般有兩種方式實現，一種就是在RS-485網絡總線上加一個RS-485/RS-232轉換器，另一種就是，直接把RS-232接口芯片放在產品中，后一種的缺點就是產品的應用將受到限制，不能組成網絡結構，只能點對點通訊。CAN-BUS是目前發展較快的一個總線，其優點是傳輸距離遠，可以達到10km，不會出現總線沖突，多主工作方式，通訊協議通用性好，當然其成本較高。
T/V變換是為了兼容模擬信號采集輸入系統，目前一般是采用PWM方式輸出，再經過T/V變換，輸出0~5V或4~20mA模擬信號。
軟件主要包含三個功能模塊，數據采集、數據處理和通訊協議。其中數據采集主要就是讀取A/D的轉換結果，由于單片機自帶A/D，因此程序比較簡單；
數據處理主要完成交流變直流的運算，由于單片機的運算速度有限，因此我們采用頻率跟蹤法，來完成變換的計算；
通訊協議一般由用戶選定，如MODBUS協議，ASCII格式等。
四、 結束語
以上簡單地介紹了電量隔離傳感器的基本工作原理和數字化技術問題。由于數字式電量隔離傳感器可以直接輸出數字量，對于許多應用系統可以省去A/D采集模塊，所以，可以降低系統成本。因此，電量隔離傳感器的數字化，不僅提高產品穩定性，還可以使用戶進一步降低成本。
由于電量隔離傳感器產品種類較多，本文僅介紹了一種交流信號電量隔離傳感器數字化技術。電量隔離傳感器實現數字化的方法較多，目前最普遍的是采用單片機技術，因為它的應用很靈活，可以實現各種不同功能。隨著集成電路不斷發展，已經出現了許多專用的芯片，如電度表產品，已有許多專用芯片可選，有數字接口也有脈沖輸出等。
本文對電量隔離傳感器產品數字化問題作了膚淺的探討，僅供有關人員參考，希望起到拋磚引玉的作用，加快電量隔離傳感器數字化技術的更大發展。
2003-6-16
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