助航灯调光器的抗干扰实用检测电路

　　1 调光器的基本结构

　　调光器是一个以80196 单片机为核心的典型闭环控制系统，系统采用控制强电回路电流的办法来实现对灯具亮度的控制。系统采用模块式结构，其中，80196 单片机为系统的核心模块，其兼负数字调节器与系统控制、调度功能于一身，系统利用80196 单片机的高速输入/输出作为可控硅的相位同步和可控硅的触发信号，利用80196 的10 位A/D 转换器作为系统的电流/电压输入接口 , 系统设有数字电流控制器，并由此构成一电流闭环系统。另外，系统还有电流电压检测模块、可控硅触发脉冲隔离放大模块、相位同步和接触器控制模块、显示及键控模块等，基本结构如图1所示。

　　

 

　　图1 调光器的基本结构

　　2 电流平衡检测原理及其电路改进

　　由于助航灯沿跑道分布安装，变电房到机场尽头的输送线达2~ 4 公里，必须采用升压送电和降压用电的方法。变压器工作的内在特点要求可控硅电路正负触发脉冲必须严格对称，否则极易造成变压器正负半周电流不平衡，而有等效直流通过变压器，导致磁路饱和，励磁电抗趋于0 而产生强大电流，等效于电源短路，如不及时检修，会使熔断器烧断，晶闸管、变压器烧坏，造成大面积长时间停电事故，严重威胁着日益繁忙的飞行运输安全，因此迫切需要一种在线检测变压器正负电流平衡技术。另外，由于控制现场是在高压大电流电网附近，存在着强大电磁干扰，同一现场多台大功率调光器投入运行或停机，各种继电器、接触器经常离合开关，电源中形成冲击电流，干扰可能从各种途径窜入控制系统，造成检测信号失真，产生误动作，程序" 跑飞" , 为了确保系统持续安全运行，在完成一定功能的硬件设计中必须要考虑抑制各种干扰。

　　2. 1 噪声干扰耦合分析

　　干扰耦合主要有以下几种方式。

　　1) 静电耦合：噪声经杂散电容耦合到电路中，如图2- a 所示。En 为干扰源，Cm 为寄生电容，Zi 为干扰输入阻抗。

　　

 

　　2) 电磁耦合：干扰经互感作用耦合到电路中，如图2- b 所示。In 为干扰电流，M 为两电路互感。

　　3) 共阻抗耦合：干扰电流经两个以上电路之间共有阻抗耦合到电路中，常见公共地线连接如图2- c所示。

　　

 

　　图2 干扰耦合的几种方式

　　4) 漏电流耦合：由于绝缘不良干扰经绝缘电流耦合到电路中如图2- d 所示。

　　

 

　　以上四种干扰中，静电耦合、电磁耦合与干扰噪声频率成正比。电网中高频噪声含量越高，耦合干扰越大，它们共同特点是共地才能耦合。噪声、干扰从电源、空间、过程通道窜入，我们面临最困难的是过程通道干扰问题。

　　2. 2 原有电流平衡检测法的电路及其缺点

　　如图3 所示，为了充分利用80196 的A/D 转换功能，原有检测电路的设计思路是将电流信号经变压器采集成小信号电压，用二极管截取正( 或反) 半周，放大再经有效值转换器AD536 转换后，再放大、调整输出电阻，由80196A/D 采集再作正负周电流比较。

　　

 

　　图3 原有的平衡检测电路

　　由于80196 数字地与一外围电路模拟地相连，外围各环节都有可能接收干扰，那么噪声可能沿A/D 电路窜入主机，同时主机也可能直接耦合噪声，经常由于干扰而"死机".

　　2. 3 改进正负电流检测法与电路

　　为了隔离干扰，我们将电流、电压检测和I/O 接口电路与主机用光电隔离器隔开，就是微计算机由独立电源供电，而A/D 转换，I/O 接口由另一台电源供电，它们之间没有公共地线，防止数字电路直接与干扰耦合; 光电隔离器输入输出非线性关系，不能正确反映电流电压信号大小，但它需足够的电能才能传送信号，并且只能传送频率小于10KHZ 以下的信号，故能进一步抑制外围电路干扰。同时我们采用V/F、F/V变换技术。如图4 所示。AD536 产生的电压信号经V/F 变换器LM331 转化为频率脉冲信号，通过光电隔离器，形成同频率信号经反向器整形再由F/V 变换电路再转化为电压信号，经高频滤波、放大送入80196中的A/D 转换电路的输入端。V/F 变换器LM331 是将输入直流电压U1 变换后，输出频率脉冲信号( 频率为fout ) 频率与电压成正比。这种变换使直流电压传送变成脉冲信号传送方式，其优点首先是可经光电隔离器后才输送给微机系统，可以有效地去掉磁场干扰信号和共模干扰信号; 其次各种大功率电机电器启动、停止时产生的干扰电压信号虽能通过电源或电源地线耦合进LM331 的输入端，会使输出脉冲的波形发生畸变或会影响脉冲幅值大小，但对脉冲频率影响甚微，实际上也去掉来自电源、地线的干扰。

　　

 

　　图4 改进后的检测电路

　　2. 4 LM331 原理用法简介

　　单片式V/F、F/V 变换器LM331 是美国National Semiconductor 公司产品，该芯片能在单或双电源下工作，线性度可达0. 01% , 有较高的温度稳定性，脉冲输出兼容所有逻辑输出形式电路，功率小，动态范围宽，价格便宜。其内部电路结构如图5 所示。

　　

 

　　能隙基准电路产生1. 9V 直流电压，送到双脚，双脚外接Rs 形成基准电流IR = 1.9Rs , 输入比较器的输入电压VIN 与VX 比较，当VIN > VX , 启动单脉冲定时器并导通频率输出晶体管和开关电流源，定时器定时周期t 0= 1. 1RtCt , 在这个周期中电流IR 向CL 充电，使VX 上升，当VX 上升至VX> VIN ,电流IR 关断，定时器自行复位，同时CL 逐渐放电直到VX< VIN 为止，然后比较器再次启动定时器，开始下一循环; 流入CL 电流严格等于VX/RL≈VIN/RL。

　　根据正反充电电荷量相等平衡原理，输出信号频率与输入电压严格成比例。

　　

 

　　实际电路如图6 所示，其不同点在输入端加R1、C1 高频滤波电路去前级高频干扰; CL 、RL 原接地端加上偏移调节电路，确保精确接地; 2、6 脚接可调电阻，以调整输出频率到合适点; 输出脚3 端接上拉电阻，可适合TTL、CMOS 输入要求。

　　

 

　　图6 V/F 实用电路

　　

 

　　图7 F/V 转换电路

　　如图7 所示F/V 实用电路，输出电压为：

　　

 

　　2. 5 改进电路的优点

　　光隔以前各点可能耦合干扰，如果在V/F 电路处输入干扰信号，由于V/F 变换器的输入端接有较大的滤波电容，一般脉冲能全部吸收掉，再者LM331 工作在积分状态，干扰脉冲尖峰时间短( 微秒级) , 其积分值可忽略不计; 再者V/F 变换输出脉冲频率与输入电平平均值成正比，持续时间短的干扰脉冲对它无影响。光隔工作由电流驱动，要消耗较大的电能，干扰脉冲也不能形成持续电流，无法影响光隔工作。如果偶尔有一干扰耦合到F/V 变换器前面，只会影响到1 个脉冲形成，误差为% 1HZ, 而实际工作在V/F、F/V 工作在0~ 5KHZ 之间，输出值几乎不受影响。

　　2. 6 同步脉冲电路

　　为了知道采样时间，必须交流电过0 时80196HSI 得到一触发脉冲，电路如图8 所示，OP-07 为一放大器。

　　

 

　　3 结束语

　　本电路能够准确地检测出正负相电流大小，使供电回路安全运行得到了保证，同时该改进电路基本将过程通道干扰隔离，连同系统已采用的单独电源供电，屏蔽措施，使得控制系统主机得以连续运行。