بخشی از مقاله
خلاصه
در آزمایشگاههای فشار قوی برای اندازهگیری بسیار دقیق کمیتهای الکتریکی همچون ولتاژ یا جریان، بسادگی میتوان از کابلهای ارتباطی برای اتصال پرابها، مبدلها یا سنسورها به ابزار اندازهگیری یا تجهیزات جمع آوری دادهها استفاده شود. با توجه به ماهیت برخی از آزمایشها، شاهد وجود ایمپالسهای جریانی و بالطبع آن میدانهای الکترومغناطیسی بسیار قوی خواهیم بود که سبب بروز نویز بسیار قوی بروی کابلها شده و اندازهگیری سیگنالها را با مشکل جدی همراه میکنند.
با توجه به بررسی انجام شده کاملا مشخص گردید که علت این تداخل ناشی از عدم ایزوله بودن اتصال ورودی زمین کانالهای ورودی سیستم اندازهگیری از یکدیگر و به دنبال آن ایجاد حلقه و تبدیل شدن حلقه مزبور به آنتن میباشد. لذا در این مقاله به بررسی چگونگی ساخت یک ایزولاتور آنالوگی خواهیم پرداخت که سیگنالهای آنالوگ ورودی را بدون هیچ گونه اعوجاجی به صورت کاملا ایزوله شده از یکدیگر و از زمین محیط به کانالهای ورودی سیستمهای اندازهگیری متصل میکند. در نهایت به بررسی عملکرد آن خواهیم پرداخت.
.1 مقدمه
در خیلی از سیستمهای اندازهگیری همانند آنچه که در آزمایشگاههای فشار قوی موجود میباشد، نیاز است تا سیگنالهای آنالوگ خروجی از سنسورها یا مبدلها را با کابلهای نسبتا طولانی به ورودی سیستم جمع آوری دادهها متصل نماییم. در چنین مواردی اتصال زمین کابلها به یکدیگر در ورودی مدار سبب بروز دو مشکل مهم خواهد شد. از آنجا که کابل شیلد متصل به سنسور در همان نقطه مبدا به زمین متصل است و در بخش مقصد یعنی ورودی سیستم جمع آوری دادهها نیز به زمین متصل میگردد، تشکیل یک حلقه خواهد داد و همانند یک آنتن گیرنده نویز و سیگنالهای مزاحم محیط عمل خواهد نمود.
از سویی دیگر با توجه به اتصال مستقیم زمین محیط که زمین فیلد نیز گفته میشود به زمین مدار احتمال وقوع اتصالی و تخلیه سیگنالهای ناخواستهای همانند ولتاژهای الکترواستاتیکی ذخیره شده در محیط درون مدار الکترونیک بشدت افزایش خواهند یافت. هر دو عامل فوق کاملا مخرب بوده و سبب اختلال و آسیب رسیدن به سیستم الکترونیکی مدار جمع آوری دادهها خواهند شد.
یکی از رایجترین راهکارها به منظور برطرف نمودن مشکل فوق استفاده از ترانس ایزولاتور در ورودی مدار میباشد. استفاده از ترانس ایزولاتور نیز دارای دو محدودیت میباشد. در برخی موارد سیگنالهای موجود در سمت اولیه ترانس ایزولاتور ممکن است بطور خواسته یا ناخواسته به ولتاژ بالایی متصل شده باشند. در این صورت ممکن است تماس فیزیکی با اولیه ترانس برای کاربر مشکل ساز گردد. از سویی دیگر در برخی از کاربردها استفاده از ترانس سبب محدود کردن پهنای باند سیگنال مورد نظر خواهد شد. بنابراین استفاده از ترانس ایزولاتور در مواردی که با سطح ولتاژ نسبتا کم و زمانی که تنها با یک ورودی سروکار داشته باشیم گزینه قابل تاملی باشد.
استفاده از تقویت کننده تفاضلی فاقد اتصال زمین، یکی دیگر از راهکارهایی است که برای اندازهگیری سیگنالهای نویزی موجود در فیلد مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش سیگنال ورودی توسط مدارهای تضعیف کننده مقاومتی متصل به ورودی-های تقویت کننده تفاضلی به میزان مطلوب تضعیف میشوند اما همچنان اتصال مستقیم سیگنالهای موجود در فیلد به ورودی مدار میتواند مسئله عدم ایزوله بودن مدار را به همراه داشته باشد.
از سویی دیگر مطلب بسیار مهم دیگری نیز در این روش بروز خواهد نمود. در صورتیکه رنج تغییرات دینامیکی سیگنال مطلوب در حد میلی ولت باشد و این سیگنال بروی ولتاژ ثابت دیگری که دارای دامنه بزرگی سوار شده باشد، مدار تضعیف کننده هر دوی سیگنالها را ناچارا تضعیف خواهد نمود. این امر سبب کوچک شدن ناخواسته سیگنال مطلوب خواهد شد. هدف از این مقاله استفاده از روشی است که بتواند بر مشکلات روشهای قبل غلبه نموده و در عین حال ایزولاسیون لازمه را همراه با جلوگیری از ورود سیگنالهای ناخواسته و نویز را نیز داشته باشد.
.2 روش اجرا و پیادهسازی
با توجه به اینکه هدف از انجام این کار طراحی و پیادهسازی مداری است که بتواند سیگنال آنالوگ موجود در فیلد را به صورت کاملا ایزوله به ورودی آنالوگ مدار جمع آوری دادهها متصل کند، لذا میتوان از یک تقویتکننده کاملا ایزوله شده همانند آنچه بلوک دیاگرام سیستم آنالوگ ایزولاتور شکل-1 ترسیم شده است استفاده نمود.
شکل-1 بلوک دیاگرام سیستم آنالوگ ایزولاتور N کاناله
همانطور که در شکل-1 ملاحظه میگردد، قلب سیستم یک تقویت کننده آنالوگ ایزوله شده است که طرف اولیه آن از یک مبدل نوع دلتا-سیگما تشکیل شده و به کمک یک واحد اپتوکوپلر درون تراشه دادههای دیجیتالی را از طرف اولیه به طرف ثانویه انتقال میدهد. بطور کلی نوع دادههای خروجی مبدل آنالوگ به دیجیتال دلتا-سیگما همانند یک مدلاتور میباشد.
لذا در طرف ثانویه به کمک یک فیلتر دیجیتالی که آن نیز درون تراشه پیادهسازی شده است سیگنال آنالوگ مجددا بازسازی خواهد شد. لازم به ذکر است که پهنای باند سیگنال آنالوگ اعمالی به ورودی تقویت کننده 200کیلیوهرتز میباشد. در نهایت با توجه به خروجی تفاضلی تقویت کننده ایزوله، با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی میتوان خروجی دیفرانسیلی آن را به خروجی منفرد تبدیل نمود و در آن را برای پردازشهای نهایی به خروجی مدار ارسال نمود
به منظور طراحی مداری که دارای ایزولاسیون الکتریکی ورودی و خروجی خود باشد میبایست از دو تغذیه که هر یک دارای زمین جداگانهای هستند استفاده شود. لذا استفاده از منبع تغذیهای که دارای دو یا چند خروجی ایزوله از یکدیگر باشد یکی از مهمترین قسمتهای کار طراحی سیستم را تشکیل میدهد. برای این منظور از یک مبدل ولتاژ DC به DC ایزوله میتوان استفاده نمود.
استفاده از چنین مبدلی سبب عدم نیاز به استفاده از چندین ترانس کاهنده ولتاژ شده و به کوچکتر شدن ابعاد مدار نیز کمک خواهد نمود. در این راستا یکی از بهترین گزینهها مبدل MEW1024 است که می-تواند ولتاژ DC را در رنج به 9 تا 36 ولت به ولتاژی در حد 5 ولت تبدیل کند.[2] از سویی دیگر این مبدل توانایی ایزوله نمودن و جلوگیری از انتقال ایمپالسهایی تا حد 4 کیلوولت میباشد. در شکل-2 شمایی از نقشه شماتیک بخش تغذیه ایزوله DC به DC را میتوان ملاحظه نمود.
شکل-2 نقشه شماتیک بخش تغذیه و طبقه ورودی-خروجی آنالوگ ایزولاتور
