华中科技大学电气本科生毕业设计开题报告.docx

华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计开题报告 数字信号输入/输出隔离器设计学号 u200811971 姓名 潘明俊 班级 电气0806班 时间 2012-2-13 一 背 景1.1 J-TEXT托卡马克与J-TEXT装置电源系统 J-TEXT托卡马克原为美国能源部支持的建在德克萨斯大学（奥斯丁）的聚变实验装置，专门用于培养核聚变技术人才和进行基础性前沿性的物理实验研究。该装置从1976年的纸面设计工作开始就得到美国能源部的财政支持和其它基金支持。2003年，华中科技大学接受了美国无偿捐赠的价值高达2000万美元的TEXT-U托卡马克装置，并依托该装置建立了中美联合托卡马克实验室，开展磁约束核聚变方面的研究工作。2007年初，J-TEXT 装置纵场电源系统调试基本完成，可提供92.5kA/1s 的平顶电流，产生的磁场强度为1.74T，足以满足J-TEXT装置目前的实验要求。由于纵场磁体的瞬时功耗巨大且负载为磁体线圈(功率因数低)，为避免对电网产生冲击及谐波污染，HL-2A 装置是通过改变发电机励磁电压来控制纵场电流，EAST装置采用基于Labview设计的纵场反馈控制系统，J-TEXT装置纵场电源采用一台卧式脉冲发电机组(100MW/100MJ)供电。J-TEXT装置的纵场电源控制系统需要测量模拟信号有9路，交互的I/O信号有18路，根据电源运行环境及稳定性要求，纵场电源控制系统硬件采用了电气和机械性能较好的凌华原装工控机，以及模拟采集卡PCI1713、模拟量输出卡PCI1720、数字量输入输出PCI1750、网络设备、隔离及显示设备。给出纵场电源控制系统拓扑图如下： 图1 纵场电源控制系统拓扑图J-TEXT 装置有4 套电源系统：纵场、加热场、垂直场和水平场。每套电源各有一套完整的控制系统，另外还有真空送气、数据采集、诊断等子系统，任何一个子系统出现故障都会导致放电实验的失败。 目前，纵场电源控制系统也有一些问题需要解决：控制程序的优化设计，降低现场采集的噪声，提高采集精度，消除外部对控制量信号的干扰，纵场电流在平顶前期仍有少许波动，需要作相应处理等1。要消除外部信号对控制量的干扰使用隔离技术是非常必要的。1.2 J-TEXT数据系统与数字输入/输出隔离器数字隔离器是用来连接输入与输出之间实现信号隔离的器件，并需要按照其他要求进行进一步的电路连接2。数字隔离技术具有与模拟隔离器相同的电气隔离能力，是无噪声地传输数字信号的一种可靠的方法。数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。使用隔离电路的首要原因是为了消除噪声。另外一个重要原因是保护器件（或人）免受高电压的危害。在加入信号隔离过程以后希望能使信号失真较小，线性度要尽量高，精度带宽等参数都要达到使用所设定的要求。在J-TEXT装置中数据系统是其重要的组成部分，由数据采集和数据服务组成。数据采集选用PCI总线采集卡，当采集系统接收到采集信号以后，采集开始。采集触发到来后，采集系统获取从传感器送来的电压信号，通过A/D 转换器转换成数字信号存入工控机的缓存3。实验数据采集系统负责把实验各个系统的控制信号和诊断测量获得的物理参量信号等转换为数字信号存储到磁盘里4。聚变实验对数据采集要求较高，采集通道多，采集率复杂多样，数据传输要求稳定可靠性高，需要储存和传输的数据量巨大，数据大多都是数字信号，信号量大并且数字信号处理复杂，对于信号的可靠性需要从各个方面来提高其可靠性，于是在输出过程中加入一个数字隔离器环节实现对干扰的屏蔽，使系统得到的信号更准确。二 国内外现状2.1国内外的相关研究现在对于隔离器的研究主要是一些生产厂家在进行，而研究机构对于数字隔离器一般是基于某一个科研项目，或者是基于某一个试验对于信号的要求。隔离器从原理上一般分为三类：光电隔离器，电感式隔离器和电容隔离器。这三类隔离器应用广泛，各有优缺点。国外隔离器的研究主要是大型的公司进行的，Avago公司所研究的光耦合器可采用独特的集成电路设计和厚绝缘层材料，在不影响隔离和绝缘性能的条件下大幅度节省功耗，其ACML一74x0系列的强劲绝缘性能通过UL认证1分钟56 kVRMS(数字隔离器的最高标准)，使现有设备可用于更高电压或在高压环境下实现更高的安全系数。在数据传输过程中，器件发射低电流脉冲通过隔离屏障，即使在高数据率下也能够保持低电磁干扰(EMI)。这种低EMI性能也使终端应用更易通过规范测试。此系列隔离器包含一个四通道结构，并提供单向或双向配置，从而节省PCB空间。ACML-74x0的其他产品特性：在100 MBd数据率中实现每通道13 mA的低功耗；宽泛的操作温度：-40105 C；符合最大32 ns的低传播延迟和最大2 as的低脉宽失真要求；传播延迟变化在通道间最大为4 ns，在器件间最大为5 ns；33 V和5 V电源电压；最低25 kVs的高共模抑制能力5；Silicon Labs公司在2010年研制了5kV额定数字隔离器，此种耦合器比光耦合器可靠性高很多，其Si84xx隔离器提供高于25kV/s的共模瞬变抗干扰能力(CMTI)比光耦合器的CMTI性能提高50% 100%，可提供高达300V/m的电场和高达1000A/m的电磁场抗干扰能力。ADI公司研制的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件，隔离电压高达1kV,和光耦合器相比,具有优异的性能,每边的工作电压4.5 V到5.5 V,数据速率高达10Mbps(NRZ),工作温度高达105 ,主要用在通用的单向多路数据隔离。国内的一些学者对于数字隔离技术进行了一些研究。例如天津大学ADI联合实验室对于基于iCoupler磁隔离技术的数字隔离器即磁耦合隔离器进行了研究。他们所研究的是磁耦合为主体的数字隔离器，取消了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，因此其功耗仅为光点耦合的1/10到1/506。再者他们研究的iCoupler数字隔离器的隔离通道具有比光电耦合器更高的数据传输速率，时序精度和瞬态共模抑制能力。他们还考虑了低功耗的相关问题。但是他们发现所设计的隔离器在磁场抗干扰方面有一定的局限性。电子科技大学的学者对巨磁电阻隔离器进行了研究。长期以来，一直采用光隔离器来隔离干扰信号。但随着对电子系统的要求越来越高，光隔离器体积大、速度慢、能耗高的缺点也越来越明显。1988年，MNBaibich 首先在层FeCr金属多层膜中发现了巨磁电阻效应，此后，关于巨磁电阻隔离究成果也是接踵而至，到1991年，BDieny等人首先发现了“NiFecuNiFe/FeMn” 自旋阀的低饱和场巨磁电阻效应，对于自旋阀巨磁电阻器件的开发也是迅速展开，2000年， 商用的巨磁电阻隔离器开始投放市场， 具有许多传统光隔离器无法比拟的优点。巨磁电阻隔离器的工作原理就是将输入电流流经一个线圈产生对应的磁场，该磁场经过高绝缘的介电薄膜被巨磁电阻单元检出，产生和输入电流成比例的输出，这就要求巨磁电阻单元有大小合适的矫顽力和工作偏置点7。当然如果想要得到符合要求的巨磁电阻单元需要花费很大，而且还不一定成功。从已有的一些研究可以知道学者们已经提到了数字隔离器的多种用途，以及数字隔离器的重要性，他们已经分析过了数字隔离器的功率损耗的问题，并且对数字隔离器的选材也给出了一定的分析，然而对于电路中的一个环节，我们需要它对电路的影响越小越好，因此我们希望设计出来的数字隔离器能够不产生任何的信号衰减，功耗，不占用面积，无需价格，当然这样的器件是不存在的，于是我们需要做的是进一步努力使得做出来的数字隔离器能够功率损耗尽量的小，并且在我前面调研的文章看来，对于供电电源带来的纹波干扰的问题解决的还不是很多，我需要对其分析一下纹波干扰的问题，对于已有的数字隔离箱体都有一定的体积规模，而箱体的体积规模主要还是由电路原理图决定的，因而我还要努力在隔离器小型化方面下功夫，尽可能的使PCB板设计得小一些。三 研究路线3.1 研究内容在本课题整个研究过程中，我需要回顾并学习电力电子技术的基础知识，熟悉并了解一下已有的和正在研究的数字隔离器的电路原理图及其工作原理特性，由于是需要工程实际使用的隔离器材，我还要分析解决由供电电源带来的纹波干扰的问题拿出处理方法。任何的电气电子器材都会有一定的功率损耗，因此降低数字隔离器的功率损耗也是本研究必不可少的一个部分。对于一个需要拿出实体的工程实际运用的箱体，还需要考虑它的空间占用问题以及长期使用的可靠运行问题，解决这个问题就需要考虑电路原理的优化实现隔离器的小型化。3.2 研究路线对于数字隔离器的设计研究，大致的研究路线如下：（1）对各方面相关设计方案进行调研，选择出理论上比较合适的电路原理图；（2）选择一个原理符合，并且实际可行的电路原理图；（3）选择并购买元器件，用所选的器材搭建模型，进行初步的测试；（4）分析测试结果，研究供电电源纹波干扰、功率损耗等等能否达到预期的标准，没有达到则需要进行更好的解决方案的选择或者更改元器件；（5）确定符合要求以后，开始设计并要求厂家制作PCB板；（6）完成样品焊接，并进行测试；（7）解决样品测试结果中发现的问题；（8）完成整体的焊接以及箱体成型任务。3.3 研究技术准备3.3.1 课题准备在调研之前进行基础知识的回顾以及学习，通过书籍的借阅以及教材的回顾，以达到基础知识熟练的要求，以便在进行调研以及实际设计时能对问题有所熟悉。3.3.2 隔离与隔离器隔离器是一种用于输入电路与输出电路之间电气绝缘的器件。隔离器的工作原理是首先将变送器或者仪表的信号，通过半导体器件的调制变换，然后通过光感或者磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。隔离是防止通信结点间电流流动的有效手段，隔离防止了通信结点间的点电流的流动并且保证了数据或者能量的正常通过，理想的隔离设备是信号通过隔离器，不产生任何的信号衰减，功耗，不占用面积，无需价格， 当然这样的隔离器是不存在的，但是我们试图做出的产品尽量接近要求。四 方案设计4.1 数字输入/输出隔离器原理选择4.1.1 数字隔离器工作流程首先我们从实验室数字隔离器的工作流程来入手，分析整体流程，画出流程图如下： 图2 数据隔离器工作流程图由流程图可以知道，我所需要设计的数字信号输入/输入输出隔离器，输入电路以及输出电路都需要与PCI-1750相连接的，PCI-1750是一款PCI总线卡，所有与总线相关的配置，比如基地址和中断分配等都是由软件自动完成的。其特点为：数字量输入时，16路光隔离输入，输入范围为5-48V或干接点，隔离电压为2500VDC，吞吐量为10KHz；数字量输出时，16路光隔离输出，输出范围为集电极开路5-40V，吸收电流每通道最大为200mA，隔离电压为2500V，一个32位定时器：时间基准是内部10MHz。PCI-1750作为中间控制环节，我们设计的数字隔离箱是需要配合好其参数的。4.1.2 核心芯片选择从整体布局来考虑，对于输入以及输出环节我们希望电路会比较对称，由于是实现数字信号的隔离，就需要一个用作比较用的运算放大器（从电源电压以及开关电压电流等方面考虑选用LM311，LM311电源电压最小为5V,最大为36V，开关电压高达50V，电流高达50mA），然后就是电路中的核心隔离器件，从课题研究条件，研究时间以及实验室要求(带宽1MHZ,线性度误差1%，输出电压最大达10V，本底噪声低于10mV，隔离高压10kV)，长期运行可靠性（光耦使用寿命长）考虑光耦都比较符合要求，再加上实验室主要进行的是核聚变的研究，在实验现场的电磁干扰比较严重，从隔离电磁干扰能力方面考虑，光耦比起其他隔离原理要好一些，从而我们选择使用光耦。对于现有的光耦合器件进行比较，光耦合器分为线性光耦以及非线性光耦，线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制，非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，对于开关电源信号，非线性光耦有可能振荡变坏，严重的时候出现寄生振荡，使数千赫兹的振荡频率被数百赫兹的低频振荡调制。再加上光耦速度的区别我们选择了线性的高速光耦6N137。4.1.3 光电耦合器工作原理光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光线实现耦合构成电-光和光-电的转换器件。如图所示当电信号送入光耦合器的输入端时，发光二极管通过电流二发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三级管截止，CE不通。对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出电平“0”。 图3 光耦合器电路原理图4.1.4 参考原理说明 核心元件选定，我们需要设计的就是在一个箱体内实现16通道数字信号的输入和16通道数字信号的输出。于是我们需要设计的电路就可以分为两部分：（1）数字隔离Input PCI1750部分（2）数字隔离Output PCI1750部分。经过调研我们选择了这两部分的参考原理图。（1） 数字隔离Input PCI1750部分参考原理图： 图4 数字隔离Input PCI1750原理图（2） 数字隔离Output PCI1750部分参考原理图： 图5 数字隔离Output PCI1750原理图在对电路进行分析之前，我们先来研究一下光耦隔离芯片6N137的逻辑电平与输入输出之间的关系：输入使能输出HHLLHHHLHLLH 表1 6N137逻辑功能表先分析数字隔离Input PCI1750部分的电路，观察该部分的电路光耦隔离器件6N137的两端是由一个DC-DC隔离电源模块（分析PCI1750的工作参数，以及元件的货存情况，我们选用NW2-05S05S的隔离电源模块，输入输出电压都为5V，最大输出电流为400mA）来实现供电的，隔离电源模块供电电源经过滤波实现对纹波的初步处理给光耦两端提供+5V的直流电平供电，运放LM311实现信号转换成电平的功能，经过转换的信号送入光耦隔离器实现完成信号隔离送入PCI1750。分析运放LM311的输入电平情况，负输入端的电平为两个电阻中间处的电压，由此可以知道LM311输出端的电平值是有输入信号电平与上述电压比较所得到的。当LM311的正输入端的信号电平大于上述电压时，放大器的输出信号就是5V，当输入的电平信号小于上述电压时，放大器的输出信号就为0，这样就能6N137就可以有0-5V的信号输入（只是信号反了相），信号经过光耦合器之后信号经过RC滤波以后被输出并且被引入PCI1750的输入端。 信号经过PCI1750的控制处理以后，工控机发出控制信号输入到了数字隔离Output PCI部分，信号基本上经历了一个与Input PCI部分相反的过程，在这个过程中实现了信号反相的还原，并通过开关MAX4626（开关电流最大达到200mA，开关开通电阻低至1欧，开通关断时间最大为45ns）实现对信号的控制，当模拟开关的4脚输入逻辑“0”时，开关断开输出为低电平，当其输入逻辑电平为“1”时开关闭合1,2两脚闭合从而输出电平被拉为高电平。4.2 方案改进 供电电源带来的纹波干扰问题的研究。由于我以前对于实际应用中的电源纹波问题了解得还不太清楚，因此需要先对这方面的问题进行一定的了解，通过了解首先要知道电源纹波之所以会产生的具体工程原因以及减小纹波所需要注意的一些问题，对已有的处理纹波的办法进行一定的总结，并且进行一定的分析比较得到从理论上比较合适于本课题数字隔离器的供电电源减少纹波处理方案。 降低数字隔离器的功率损耗问题的研究。从理论上来研究这个问题，我觉得可以间接的通过测量输入数字隔离器的电压和电流，粗略的算出输入功率，然后再从数字隔离器的输出端测量输出电压和电流进而算出输出功率，从而得到整个隔离器的总的功率损耗，这样就可以了解到隔离器的功率损耗情况，当然具体模块的损耗并不清楚。隔离器的可靠工作问题的研究。需要在实际的运行过程中才能知道能否达到要求，因此对于隔离器的可靠性需要在箱体实际完成以后才能知道，当然从理论上来说能否可靠运行需要考虑PCB设计时器件之间的电磁兼容情况以及器件对于电压电流的耐受情况以及实际工作中遇到的各种干扰的影响。在数字隔离器箱体制作之前需要进行一系列的器材选择，对于这些器材的选取原则还需要进一步的调查了解，选择更适合的材料（例6N137光耦合器的选择，我们可以根据数据传输速率要求来进行选择当数据传输速率要求不高时，我们可以选择传输速率稍低一些的芯片，以便电路本身就可以隔离部分的噪声），尽可能的完成好设计目标。四 工作进度安排第一阶段2月13日2月19日，完成英文资料的翻译工作。在这段时间内也要伴随着部分论文的查找工作。第二阶段2月20日3月4日，完成开题报告的撰写工作以及相关答辩工作。于此同时进行资料查阅工作。第三阶段3月5日3月18日，完成对于数字隔离器及其工作特性的综述工作，伴随着资料的查阅。第四阶段3月19日