电力电子装置中模拟信号隔离传输及其串行D/A的实现

2．3 直接数字信号传输方式

对于模拟信号要求较高的场合，可以采用数字式信号传输，优点是精度高，抗干扰性强和可靠性好，能够实现任意波形的信号传送。在有些应用场合中是通过微处理器直接生成数字信号，则更有理由采用数字式传输。

将数字信号转换到模拟信号的方法可以有多种，如PWM信号滤波，数字电位器。从信号的准确度和驱动稳定度来看，专用的DAC芯片最为可靠。专用的DAC芯片，是通过数据线输入，转换成模拟信号输出，一般8～12位的精度已经可以达到大多数传送要求的准确度，因为输入是数字电平，所以可以进行光电隔离，还能通过远距离传送，这样就可以实现在两个不同的电网络之间传送模拟信号。

DAC芯片通常有串行和并行之分，并行的DAC芯片应用较多，编程简便，但是，应用时候需要把所有数据线以及读写控制线全部进行隔离，这样需要的光电耦合器的数量就较多，长距离传输的时候电路结构也比较复杂，优点只是信号变换速率较快。

图6

    2．4 串行D/A数字隔离的办法

对于速率传输并非很快的场合，采用串行的D/A芯片就能够很好地适应应用的要求。各大芯片厂商都已推出了串行接口的D/A芯片，通常输入端采用串行方式接收数据，如SPI或者I2C总线时序。微机接收来自各类传感器的模拟信号，配合外围或者自带的A/D转换器，将模拟信号变换成数字信号，再通过软件进行滤波、放大等数据处理，由程序将需要输出的数据加上若干控制位组合成串行数据列，通过微机I/O口，经过光耦隔离输入到串行D/A芯片，变换成模拟信号输出。图4所示的是通过光耦实现的串行隔离传送的一个方案。

这样便可以将控制电路与高电压电路完全隔离起来，只要将串行D/A芯片置于功率电路端。因为中间完全是数字信号传输，所以能够较好地解决传输干扰，连线也相当简单，一般不超过4根线，使电路的结构得以简化。图5所示的是实际的电路。

3 串行D/A隔离信号传输的设计与实验结果

作者设计的数控开关电源中需要提供多路精确的25Hz参考信号，并且需要与主功率电路与驱动电路完全隔离，为此，采用了本文提出的方法。在以微处理器80C196KC为核心的实验电源系统中，逆变的参考信号是通过微机控制串行D/A生成，传送到隔离侧的功率控制电路。

本文采用MAXIM公司的串行8位DAC，电压输出，整个封装为8脚，结构简单。其中微处理器与芯片之间的SPI总线控制通过软件来实现，输入端的口线用高速光耦6N137分别隔离。

因为，80C196KC系列没有单口线操作指令，所以，各口线时序以并行方式同步输出。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

输入线包含片选线、时钟线和数据线，首先，软件时序操作令片选有效，然后，程序就可以向芯片发送整合的数据包。时钟线上输出的是一定频率的脉冲信号，在每个时钟的上升沿后，将数据包中的各位按次序送到数据线上，当时钟变为下降沿时刻，数据输入到DA的寄存器内。具体时序如图6所示。

要完成一次数据的发送，串行芯片需要接收到16个数据位，也就是至少需要16个时钟周期，对于MAX522的时钟频率可达5MHz，故数据的发送周期最短大约为200ns，对于其他串行芯片可以类推，但是一般微处理器指令执行速率达不到这么快。

实验中输出25Hz波形，输出点数为256，采样频率达到6kHz，已经能够满足精密工频逆变电源的波形控制要求。如果采用更高速的处理器可传输频率更高的模拟信号。用这种方法可以实现多路信号的同步传输，只要将各串行芯片的片选端和时钟端分别相连，从数据端发送不同的数据位，就可以在隔离的另一侧输出同步波形。图7所示的是通过这种方法生成的两路参考波形，相位差90°。实验证明这种隔离方法能够使微机控制电路受到的干扰大大降低，由于采用数字信号的方式，无须滤波，可以适应信号发生突变的应用要求。

4 结语

采用串行D/A实现的模拟信号数字隔离传送，电路简单，精度高，在强电、强磁的干扰下能够保证模拟信号可靠传送，在复杂的电力电子系统中，对提升电路的整体性能具有重要的意义。