华中科技大学电气本科生毕业设计开题报告

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

1.1J-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。

1.2J-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5．6 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：-40～105 °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；3．3 V和5 V电源电压；最低25 kV／s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/μs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1/50[6]。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，M．N．Baibich 首先在层Fe／Cr 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，B．Dieny等人首先发现了“NiFe／cu／NiFe/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