在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、高精度數(shù)據(jù)采集、長距離通信、高低壓混合系統(tǒng)等電路設(shè)計中，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信號和直流信號，但功耗較大；磁耦合隔離方式適合傳輸高頻信號，不能用于直流或低頻信號的傳輸，且需要對隔離輸出信號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)計實(shí)踐中，往往既需要隔離傳輸?shù)皖l信號甚至是直流，又需要傳輸幾兆赫茲以上的高頻信號。例如在隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號有ADC的控制信號(直流電平)、ADC工作時鐘信號(幾兆甚至更高頻率的信號)，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使電路設(shè)計復(fù)雜，增加系統(tǒng)功耗。因此在數(shù)字寬頻隔離電路的設(shè)計中，要么選用響應(yīng)頻率更高的光耦合隔離器件(同時帶來功耗增加、成本上升、時序調(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信號的問題。
本文通過對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，又能準(zhǔn)確恢復(fù)低頻信號，從而很好的解決了磁耦合隔離電路不能傳輸?shù)皖l信號的問題，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)淖兓盘柤釉谧儔浩鞯某跫壘€圈，該信號在初級線圈中產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場使次級線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級感應(yīng)出與初級線圈激勵信號相關(guān)的變化信號輸出，在整個信號的傳輸過程中，初級與次級之間沒有發(fā)生電連接，從而達(dá)到隔離初次級的目的。
由于只有變化的信號電流才能在磁耦合隔離電路的初級產(chǎn)生變化磁場，從而在次級電路中感應(yīng)出輸出信號，只有變化頻率高于某一值的信號才能在初次級之間傳輸，而變化頻率較低的信號在傳輸過程中會發(fā)生嚴(yán)重畸變，直流信號不能在初次級之間傳輸。因此普通的磁耦合隔離技術(shù)只能在高頻信號的隔離傳輸中使用。
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(1．27 MHz)可以基本不失真的被隔離傳輸，低頻信號(10 kHz)經(jīng)磁耦合隔離后波形畸變嚴(yán)重。由此證明，如不對磁耦合隔離電路進(jìn)行改進(jìn)，就不能應(yīng)用于對低頻信號的隔離傳輸。為了使磁耦合隔離技術(shù)能夠應(yīng)用于對低頻信號的隔離傳輸，本文設(shè)計了一種新型磁耦合隔離電路。
2 磁耦合隔離電路設(shè)計原理
如果將需要傳輸?shù)牡皖l信號調(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，可以實(shí)現(xiàn)用磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號的目的。但是這種方法就必須在隔離電路的初、次級加入調(diào)制和解調(diào)電路，這樣做不僅電路復(fù)雜、功耗較大、而且信號傳輸?shù)难舆t不可控，因此在電路設(shè)計中很少采用。本文設(shè)計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)低頻和直流信號的磁耦合隔離傳輸，而且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗小，信號傳輸延遲很小。
2．1 基本原理
該設(shè)計的基本原理是：在不大量增加電路成本和不增加信號傳輸延遲的條件下，設(shè)法使對低頻信號的磁耦合隔離傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ω哳l信號的磁耦合隔離傳輸，并在接收端恢復(fù)出需要傳輸?shù)男盘枴?br />
觀察需要傳輸?shù)皖l數(shù)字信號的波形，它是一位變化的數(shù)字信號，其特征與一位計數(shù)器的輸出十分相似。受此啟發(fā)，假設(shè)需要傳輸?shù)男盘栐诮邮斩司褪且粋€一位計數(shù)器的輸出，那么對于此計數(shù)器，只要知道它的初始狀態(tài)，計數(shù)脈沖的發(fā)生時刻，就可以很容易地得到其任意時刻的輸出波形。在發(fā)送端只需要發(fā)送信號狀態(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。
2．2 低頻信號傳輸
如前所述，磁耦合隔離電路的接收端如果用一位計數(shù)器重建輸出信號的話，那么在電路的輸入端就應(yīng)是一位計數(shù)器的逆，即將輸入的低頻傳輸信號看作計數(shù)器的輸出信號，根據(jù)計數(shù)器的輸出信號變化反推出計數(shù)脈沖，再將此計數(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的功能。
在輸入端根據(jù)低頻傳輸信號構(gòu)建出的計數(shù)脈沖的寬度受3個條件的限制：1)隔離電路傳輸信號的上限頻率；2)脈沖變壓器的響應(yīng)頻率；3)計數(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 直流信號傳輸
計數(shù)器的初始態(tài)和計數(shù)脈沖發(fā)生時刻決定計數(shù)器任意時刻的輸出，為了傳輸直流電平，在電路上電之初，將隔離電路的初級和次級復(fù)位到‘0’，如果要傳輸?shù)男盘枮榈碗娖?，則隔離電路不會有計數(shù)脈沖傳輸，次級輸出保持低電平不變；加電后后如果傳輸高電平，則相當(dāng)于在電路初級施加了一個由低到高的電平跳變，此跳變使初級驅(qū)動電路產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖并傳輸?shù)酱渭壗邮沼嫈?shù)器，次級接收計數(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計數(shù)脈沖到來為止。這樣無論是高電平還是低電平在次級都會得到完整恢復(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或直流信號的功能，初級驅(qū)動電路和次級接收電路的設(shè)計是關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)簡單，調(diào)試方便，實(shí)現(xiàn)雙向信號隔離傳輸，這里在一片CPLD中用VHDL語言分別描述實(shí)現(xiàn)初級驅(qū)動電路和次級接收電路，圖2是新型磁耦合隔離驅(qū)動模塊的結(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)動模塊，模塊的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)在下面詳細(xì)說明。
3．1 初級驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)
磁耦合隔離電路初級驅(qū)動單元由Inputs和Drive兩個模塊組成，其中InputS模塊完成對輸入電路的復(fù)位，Drive模塊用于產(chǎn)生與輸入信號狀態(tài)變化相關(guān)的窄脈沖驅(qū)動信號。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)送和接收信號的電平變化同步，在隔離驅(qū)動單元上電時必須首先對初級驅(qū)動單元和接收單元復(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，在復(fù)位過程結(jié)束后，在初級驅(qū)動單元必須自動產(chǎn)生一個由低到高的跳變，以便使次級接收電路同時把輸出電平由復(fù)位狀態(tài)反轉(zhuǎn)剄高電平，保證初級、次級初始電平一致，自動產(chǎn)生的由低到高的跳變必須在復(fù)位信號結(jié)束后再延遲一段時間，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EnT=‘0’時使DriveOut=‘0’，在EnT=‘1’時，在每一個TranS的跳變延產(chǎn)生一個40ns的脈沖輸出，驅(qū)動脈沖變壓器的初級線圈。
Drive模塊的VHDL實(shí)現(xiàn)如下：
3．1．3 初級驅(qū)動單元的功能仿真
使用QuartusII 9．0對磁耦合隔離電路初級驅(qū)動單元進(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(SInput)的變化，輸出驅(qū)動波形中也產(chǎn)生了一個驅(qū)動脈沖，這就是為了保證在輸入信號初始值為高電平時保持輸入和輸出的一致，由電路自動加入的；在位置2，復(fù)位后次級接收電路初始態(tài)已經(jīng)為低電平，輸入信號的初始值也為低電平，隔離輸入輸出一致，故不需要自動加入驅(qū)動脈沖。
3．2 次級接收模塊的實(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)位信號到來后，接收電路復(fù)位輸出為‘0’，而后每接收到一個脈沖，輸出反轉(zhuǎn)一次。由于復(fù)位后接收模塊的初始態(tài)已與初級輸入信號的初始值一致，初級輸入信號每發(fā)生一次跳變，初級驅(qū)動電路輸出一個脈沖，因此在任何時刻，次級接收電路的輸出都與初級輸入信號一致。從而實(shí)現(xiàn)低頻或直流信號的磁耦合隔離傳輸。該模塊實(shí)際上就是一個帶復(fù)位功能的一位計數(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，對于上升沿持續(xù)時間在50ns左右脈沖變壓器，傳輸信號跳變沿驅(qū)動脈沖的寬度至少應(yīng)大于此時間，在本設(shè)計中，選用60 ns的脈沖作為傳輸信號跳變沿驅(qū)動脈沖的寬度，為了使兩個相鄰的傳輸信號跳變沿驅(qū)動脈沖能夠被接收模塊準(zhǔn)確識別，它們之間應(yīng)至少間隔一個脈沖寬度的時間，這樣算起來，傳輸信號的最短持續(xù)時間應(yīng)為120ns，而對于直流信號上述模塊也能準(zhǔn)確傳輸(原理前面已經(jīng)述及)，因此該模塊傳輸信號的頻率范圍是0～8 MHz。對于高于8 MHz的數(shù)字信號，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)時間50 ns；U3、U4為Schmitt觸發(fā)器，用于將脈沖變壓器輸出的信號整形成脈沖信號，測試點(diǎn)①② ③的信號波形如圖前面中所示。R5、C1和R6、C2分別組成兩個磁耦合隔離驅(qū)動模塊的上電復(fù)位電路，兩個復(fù)位電路的時間常數(shù)應(yīng)設(shè)計在10μs左右，以保證模塊穩(wěn)定復(fù)位；R1、R2和R3、R4分別組成兩個電平移動電路，用于將脈沖變壓器輸出的交流信號移動到0～VCC的范圍。在模塊配置到CPLD時DriveOut引腳必須配置成ITL模式以增加電流驅(qū)動能力。電路在實(shí)際使用時，EnT與EnR可以改成由邏輯信號直接控制，這樣就可以使驅(qū)動模塊穩(wěn)定時間可控，在由于受到干擾而使電路出現(xiàn)錯誤時，可以通過施加EnT與EnR信號使電路恢復(fù)正常工作。
對上述電路測試，得到如下測試結(jié)果：
1)電路能夠準(zhǔn)確傳輸直流信號；
2)對小于8 MHz的數(shù)字信號跳變沿的傳輸延遲小于50 ns，對于8 MHz以上的數(shù)字信號上述電路不能工作；
3)電路功耗，由于用于信號傳輸驅(qū)動的邏輯電路只占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)確功耗很難測量，但是在傳輸直流信號時磁耦合隔離部分的功耗與光隔的功耗對比就足以說明問題。傳輸高電平時，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，其他時間磁耦合隔離部分消耗的電流為0，因此傳輸直流信號時，上述電路的功耗要遠(yuǎn)小于光隔電路。
4 結(jié)論
該設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)在于：1)以窄脈沖表示傳輸信號的狀態(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)低頻和直流信號的磁耦合隔離傳輸；4)驅(qū)動電路簡單，接收和發(fā)送模塊共需要16個邏輯單元就可實(shí)現(xiàn)上述功能；5)信號傳輸延遲很小。
存在的問題：1)傳輸信號的上限頻率受限，只能傳輸0～8 MHz的方波信號；2)在電路上電到復(fù)位信號結(jié)束的一段時間(10μs以內(nèi))，電路不能正確傳輸信號，必須保證在此時間段內(nèi)傳輸信號狀態(tài)穩(wěn)定，否則后面的信號將全部錯誤。
總之，正是由于該設(shè)計具有電路簡單、功耗小、能夠?qū)崿F(xiàn)磁耦合隔離傳輸?shù)皖l信號，且信號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。