工業(yè)測量系統(tǒng)設(shè)計中不同隔離方式的技術(shù)實現(xiàn)

電壓、電流、溫度、壓力、應(yīng)力及流量等測量是工業(yè)及過程控制應(yīng)用中的重要組成部分。此類應(yīng)用環(huán)境常會涉及危險級電壓、瞬態(tài)信號、共模電壓及不穩(wěn)定地電位，可能會損壞測量系統(tǒng)，降低測量精度。為了克服以上缺陷，工業(yè)應(yīng)用中的測量系統(tǒng)設(shè)計會加入電氣隔離。本白皮書集中討論模擬測量中的隔離，解答隔離應(yīng)用中的常見問題，還將涉及不同隔離方式的技術(shù)實現(xiàn)。

理解隔離

電氣意義上的隔離是將暴露于危險電壓1的傳感器信號與測試系統(tǒng)的低壓背板隔開。隔離能夠提供許多優(yōu)勢，包括：

保護(hù)昂貴設(shè)備、用戶及數(shù)據(jù)不受瞬態(tài)電壓的危及。

改善噪聲抑制能力

消除接地環(huán)路

提高共模電壓抑制

隔離型測量系統(tǒng)為模擬前端和系統(tǒng)底板提供分離的接地面，將傳感器的測量與系統(tǒng)的其它部分隔離開。隔離前端的接地是懸空的引腳，可工作于大地接地以外的電壓。圖1為模擬電壓測量設(shè)備。傳感器地與測試系統(tǒng)地之間的任何共模電壓都能被抑制，從而避免了接地環(huán)路的引起和噪聲對傳感器線路造成影響。

圖1. 組隔離的模擬輸入電路

1危險電壓為大于30 Vrms， 42.4 Vpk，或60 VDC的電壓。

對隔離的需求

以下的測量系統(tǒng)需要考慮隔離：

與危險電壓鄰接

可能產(chǎn)生瞬態(tài)電壓的工業(yè)環(huán)境

存在共模電壓或不穩(wěn)定地電位的環(huán)境

電氣噪聲環(huán)境，如存在工業(yè)電機(jī)

瞬態(tài)敏感的應(yīng)用，必須避免在測量系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓尖峰

工業(yè)測量、過程控制、及自動化測試是存在共模電壓、高瞬態(tài)電壓、及電氣噪聲的典型應(yīng)用。具有隔離的測量設(shè)備能夠在嚴(yán)酷環(huán)境下提供可靠的測量。針對與患者直接接觸的醫(yī)療設(shè)備，隔離能夠有效避免設(shè)備中瞬態(tài)功率的傳輸。

根據(jù)用戶對電壓及數(shù)據(jù)率的要求，隔離測量可以有多種選擇。用戶可選擇用于筆記本、桌面PC、工業(yè)PC、PXI、平板PC、及CompactPCI的插入式板，它具有內(nèi)置隔離或外置信號調(diào)理。用戶也可通過可編程自動控制器（PACs）及USB測量系統(tǒng)來實現(xiàn)隔離測量。

圖2.隔離型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實現(xiàn)隔離的方法

隔離要求信號通過隔離阻障傳輸，不能有直接電氣連接。常用的非接觸式信號傳輸器件有發(fā)光二極管（LED）、電容、電感等。此類器件的基本原理即是最常見的三種隔離技術(shù)：光電、電容、及電感耦合。

光電隔離

LED能在通電時發(fā)光。光電隔離利用LED與光電探測設(shè)備實現(xiàn)隔離阻障，通過光來傳輸信號。光電探測設(shè)備接受LED發(fā)出的光信號，再將其轉(zhuǎn)換成原始電信號。

圖3. 光電隔離

光電隔離是最常用的隔離方法。使用光電隔離的優(yōu)勢是能夠避免電氣與磁場噪聲。而缺點則是傳輸速度受限于LED的轉(zhuǎn)換速度、高功率散射及LED磨損。

電容隔離

電容隔離是基于電荷聚集于電容板而產(chǎn)生的電勢變化。該變化從隔離阻障中測量得到，它與測量信號大小成比例。

圖4. 電容隔離

電容隔離的優(yōu)點是能夠抑制電磁干擾。因為電容隔離不像光電隔離需要LED轉(zhuǎn)換，所以能支持更快的數(shù)據(jù)傳輸率。但由于電容耦合利用電勢來傳輸數(shù)據(jù)，因此容易受到外部電場的干擾。

電感耦合隔離

19世紀(jì)早期，丹麥物理學(xué)家Hans Oersted發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過線圈時會產(chǎn)生磁場。之后又發(fā)現(xiàn)，能在靠近產(chǎn)生變化磁場線圈的另一個線圈上獲得感應(yīng)電流。另一個線圈上感應(yīng)的電壓及電流大小取決于第一個線圈上的交變電流。該現(xiàn)象被稱為互感，它就是電感耦合的基本原理。

圖5. 電感耦合

電感耦合使用一對具有絕緣層的線圈。絕緣層隔離了物理信號的傳輸。一端線圈上的變化電流會在絕緣阻障另一端的線圈上感應(yīng)類似的電流，信號就通過這種方式傳播。電感隔離提供與電容技術(shù)類似的高速傳輸。但由于電感耦合傳輸信號要涉及磁場，所以容易受到外部磁場干擾。

模擬隔離與數(shù)字隔離

現(xiàn)在，許多商用現(xiàn)貨器件集成了以上某項技術(shù)來實現(xiàn)隔離。對于模擬I/O通道，隔離可在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)字化信號前的模擬部分實現(xiàn)（模擬隔離），也可在ADC數(shù)字化信號后實現(xiàn)（數(shù)字隔離）。根據(jù)隔離實現(xiàn)位置的不同，用戶需要針對上述三種技術(shù)設(shè)計不同的電路。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能、成本及物理需求來決定選擇模擬隔離或數(shù)字隔離。圖6a及圖6b顯示了在兩種隔離的實現(xiàn)。

圖6a.模擬隔離

圖6b. 數(shù)字隔離

以下部分將詳細(xì)分析模擬隔離及數(shù)字隔離，并討論兩者不同的實現(xiàn)技術(shù)。

模擬隔離

隔離放大器是數(shù)據(jù)采集設(shè)備中模擬前端的常用隔離器件。圖6a的“ISO Amp”即為隔離放大器，在多數(shù)電路中都是模擬電路部分的首個器件。傳感器的模擬信號首先通過隔離放大器，實現(xiàn)隔離后再將其送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖7為隔離放大器的常見布局。

圖7. 隔離放大器

在理想的隔離放大器中，模擬輸出信號應(yīng)該與模擬輸入信號一致。圖7中標(biāo)有“隔離”的部分采用了上文討論的技術(shù)（光電、電容、電感耦合），使信號通過隔離阻障。模塊化電路已為信號提供了隔離電路。對于光電方式，需要將信號數(shù)字化或轉(zhuǎn)換為不同的光強(qiáng)度。對于電容及電感方式，需要將信號轉(zhuǎn)換為不同的電場或磁場。解調(diào)電路讀取隔離電路的輸出，并將其轉(zhuǎn)換回原始模擬信號。

由于模擬隔離位于信號數(shù)字化之前，對于已有的無隔離數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采用外部信號調(diào)理是最佳方案。此時，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，而由外部電路提供隔離。結(jié)合數(shù)據(jù)采集設(shè)備與外部信號調(diào)理，測量系統(tǒng)供應(yīng)商能開發(fā)出多用途的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及傳感器專用信號調(diào)理。圖8中采用隔離放大器設(shè)計靈活的信號調(diào)理，實現(xiàn)模擬隔離。將隔離置于模擬前端的另一個優(yōu)點是能夠保護(hù)ADC及其它模擬電路免受電壓尖峰影響。

圖8.隔離放大器用于靈活的信號調(diào)理硬件

市面上有多款使用通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備與外部信號調(diào)理的測量產(chǎn)品，如NI M系列的幾款非隔離型通用多用途數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可提供高性能的模擬I/O及數(shù)字I/O。對于需要隔離的應(yīng)用，您可以選用帶外部信號調(diào)理的M系列設(shè)備，如美國國家儀器公司的SCXI或SCC模塊。這些信號調(diào)理平臺提供隔離及專用信號調(diào)理功能，可直接與負(fù)載單元、應(yīng)力規(guī)、pH傳感器等工業(yè)傳感器連接。

數(shù)字隔離

ADC是模擬輸入數(shù)據(jù)采集設(shè)備的關(guān)鍵器件之一。為了獲得最佳的性能，ADC的輸入信號應(yīng)盡量與原始模擬信號一致。模擬隔離可能在信號傳輸?shù)紸DC的過程中引入增益、非線性、及偏移等誤差。ADC離信號源越近，性能就越好。由于模擬隔離器件價格昂貴且調(diào)整時間長，在過去，盡管數(shù)字隔離性能更好，但是為了保護(hù)昂貴的ADC，不得不選擇模擬隔離。隨著ADC價格不斷降低，測量設(shè)備的供應(yīng)商正從對ADC的保護(hù)轉(zhuǎn)而追求數(shù)字隔離器以實現(xiàn)更好的性能及更低的成本，如圖9所示。

圖9. 16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器價格不斷降低

圖片來源：美國國家儀器公司和ADC主要供應(yīng)商

與隔離放大器相比，數(shù)字隔離器件成本更低，數(shù)據(jù)傳輸速率更高。數(shù)字隔離技術(shù)也在模擬電路工程師選擇器件及開發(fā)測量設(shè)備的光電模擬前端過程中，提供了更大的靈活性。具有數(shù)字隔離的產(chǎn)品使用限流及限壓保護(hù)電路來對ADC提供保護(hù)。數(shù)字隔離器件的基本原理與模擬隔離中光電、電容及電感耦合的原理相似。

主要的數(shù)字隔離器件供應(yīng)商，如安華高科技（www.avagotech.com）、德州儀器（www.ti.com）、及Analog Devices （www.analog.com）等公司都基于以上基本原理開發(fā)了各自的隔離技術(shù)。安華高科技公司提供基于光電耦合的數(shù)字隔離器；德州儀器的隔離器基于電容耦合原理；Analog Devices公司的隔離器采用電感耦合方式。

光耦合器

光耦合器是基于光電耦合原理的數(shù)字耦合器，它使用時間最長，也是最常見的數(shù)字隔離方式。它能經(jīng)受高壓，對電氣及磁場噪聲也有較高抑制能力。光耦合器常用于工業(yè)化數(shù)字I/O產(chǎn)品，如NI PXI-6514隔離數(shù)字I/O模塊（圖10）及NI PCI-7390工業(yè)運動控制器。

圖10. 使用光耦合器的工業(yè)化數(shù)字I/O產(chǎn)品

對于高速模擬測量，光耦合器存在速度及功率耗散的問題，光電耦合中也受到LED磨損的限制。相比光耦合器，基于電容及電感的數(shù)字隔離器所受限制更少些。

電容隔離

德州儀器提供基于電容耦合的數(shù)字隔離器件。這種隔離器具有高數(shù)據(jù)傳輸率及瞬態(tài)抑制能力。相比于電容及光電隔離，電感隔離的功率消耗更低。

電感隔離

Analog Devices的iCoupler技術(shù)開發(fā)于2001年（analog.com/iCoupler），它通過電感耦合原理實現(xiàn)數(shù)字隔離，適用于高速及高通道數(shù)應(yīng)用。iCoupler設(shè)備能夠在16位模擬測量系統(tǒng)上提供100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率，2，500 V電壓隔離，這意味著采樣率可達(dá)到兆級。不同于光耦合器，iCoupler設(shè)備具有更低的功率消耗、高達(dá)125 °C的工作溫度范圍、及25 kV/ms的瞬態(tài)電壓抑制能力。

iCoupler技術(shù)基于小型的芯片級變壓器。一款iCoupler設(shè)備包括三個主要部分：發(fā)送器、變壓器及接收器。發(fā)送器電路采用邊沿觸發(fā)編碼器，將上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為1ns的脈沖。脈沖由變壓器傳輸通過隔離阻障，并在接收電路端解碼，如圖11所示。約0.3毫米的小型變壓器幾乎不受外部磁場影響。iCoupler設(shè)備在每片集成電路（IC）上集成了4條隔離通道，從而降低了測量硬件的成本。與光耦合器相比，所需的外部器件更少。

圖11. Analog Devices公司基于電感耦合的iCoupler技術(shù)

來源： Analog Devices公司 （analog.com/iCoupler）

測量硬件供應(yīng)商能通過iCoupler設(shè)備提供低成本的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。美國國家儀器公司用于高速測量的工業(yè)化數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備，如工業(yè)化M系列多功能DAQ設(shè)備，采用了iCoupler數(shù)字隔離器，如圖12。此款設(shè)備提供60 VDC連續(xù)隔離，在多條模擬、數(shù)字通道上長達(dá)5s的1，400 Vrms/1，900 VDC通道-總線隔離，且采樣率高達(dá)250 kS/s。NI PAC平臺、NI CompactRIO、NI CompactDAQ及其它高速NI USB設(shè)備中的C系列模塊都采用了iCoupler技術(shù)。

圖12. 使用數(shù)字隔離器的工業(yè)化NI M系列多功能DAQ

總結(jié)

隔離型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在含有危險電壓、瞬態(tài)電壓等嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境下提供可靠的測量。測量應(yīng)用場合及周圍環(huán)境決定了是否需要使用隔離。如果在應(yīng)用中要求使用單獨的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與各類專用傳感器連接，則選擇可以進(jìn)行外部信號調(diào)理的模擬隔離；相反，如果追求低成本、高性能的模擬輸入，則選擇采用數(shù)字隔離技術(shù)的測量系統(tǒng)。

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