在存在大共模電壓的情況下測量小差分電壓

在電機控制、電源電流監(jiān)控和電池單元電壓監(jiān)控等應(yīng)用中，必須在存在高共模電壓的情況下檢測小差分電壓。其中一些應(yīng)用需要電流隔離，而其他應(yīng)用則不需要。一些應(yīng)用使用模擬控制，其他應(yīng)用使用數(shù)字控制。將考慮這種測量的四種情況，每種情況都需要獨特的考慮。它們是：

帶模擬輸出的電氣隔離;

帶數(shù)字輸出的電氣隔離;

無電流隔離，模擬輸出;

無電流隔離，數(shù)字輸出。

差分信號與共模信號

圖1顯示了測量系統(tǒng)的輸入。V差異表示差分電壓，即目標信號。V厘米表示共模電壓，它不包含有關(guān)測量的有用信息，實際上可能會降低測量精度。共模電壓可以是測量系統(tǒng)的隱含部分，如電池單元電壓監(jiān)控應(yīng)用，也可能由傳感器意外接觸高壓的故障條件產(chǎn)生。無論哪種情況，該電壓都是不需要的，測量系統(tǒng)的工作是抑制它，同時響應(yīng)差模電壓。

圖1.具有差分和共模電壓的測量系統(tǒng)。

共模抑制 （CMR）

測量系統(tǒng)具有差模增益和共模增益。差模增益通常大于或等于1，而共模增益理想情況下為零。電阻失配會導致反相輸入的直流增益與同相輸入的直流增益略有不同。這反過來又導致直流共模增益不為零。如果差分增益

在實際應(yīng)用中，外部干擾源比比皆是。拾音器將從交流電源線（50/60 Hz 及其諧波）、設(shè)備開關(guān)以及射頻傳輸源耦合。這種類型的干擾在兩個差分輸入中均等地感應(yīng)，因此表現(xiàn)為共模信號。因此，除了高直流CMR之外，儀表放大器還需要高交流CMR，特別是在線路頻率及其諧波下。直流共模誤差主要是電阻失配的函數(shù)。相反，交流共模誤差是反相和同相輸入之間相移或時間延遲差異的函數(shù)。通過使用匹配良好的高速元件，可以最大限度地減少這些，并且可以用電容器對其進行微調(diào)。或者，在低頻應(yīng)用中，如有必要，可以使用輸出濾波。而直流共模誤差通?？梢酝ㄟ^校準或調(diào)整來消除。交流共模誤差會降低測量分辨率，通常更值得關(guān)注。ADI公司的所有儀表放大器均完全針對直流和低頻交流共模抑制進行額定。

電流隔離

某些應(yīng)用要求傳感器和系統(tǒng)電子設(shè)備之間沒有直接的電氣連接。這些應(yīng)用需要電氣隔離，以保護傳感器和/或系統(tǒng)?？赡苄枰Ｗo系統(tǒng)電子設(shè)備免受傳感器的高電壓的影響?；蛘?，在需要本質(zhì)安全的應(yīng)用中，可能需要隔離傳感器激勵和電源電路，以防止可能由故障條件引起的火花或爆炸性氣體的點燃。在心電圖 （ECG） 等醫(yī)療應(yīng)用中，需要雙向保護。必須保護患者免受意外電擊。如果患者的心臟停止跳動，則必須通過緊急使用除顫器來保護心電圖機免受施加給患者的非常高的電壓，以嘗試恢復(fù)心跳。

電流隔離還用于斷開接地環(huán)路，即使兩個系統(tǒng)接地之間的小電阻也可能產(chǎn)生不可接受的高電位。這可能發(fā)生在精密轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，其中流過百分之幾歐姆的毫安電流可能會產(chǎn)生數(shù)百微伏的接地誤差，這可能會限制測量的分辨率?；蛘咚赡馨l(fā)生在工業(yè)裝置中，其中數(shù)千安培的電流可能會產(chǎn)生數(shù)百伏的接地誤差和潛在的危險情況。

電流隔離可以使用磁場（變壓器）、電場（電容器）或光（光隔離器）。每種方法都有自己的優(yōu)點和缺點。但是，對于所有類型的隔離電源（或電池），通常需要隔離電源（或電池）為隔離器的浮動側(cè)供電。這可以很容易地與使用變壓器隔離柵的隔離器中的信號隔離相結(jié)合。其他方法可能需要單獨的變壓器耦合DC-DC轉(zhuǎn)換器，這會增加成本。

高阻抗與電氣隔離

許多應(yīng)用需要能夠在存在高共模電壓的情況下檢測小差分電壓，但不需要本質(zhì)安全性或斷開電流隔離提供的接地環(huán)路的能力。這些應(yīng)用需要能夠接受高共模電壓的高CMR放大器。這種類型的放大器，有時被稱為“窮人的隔離放大器”，用高阻抗而不是電流隔離柵將傳感器與系統(tǒng)隔離。雖然不是真正意義上的隔離，但它在某些應(yīng)用中可以以低得多的成本達到相同的目的。此外，不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器，因為整個系統(tǒng)由同一電源供電。

圖2所示為AD629，這是一款專為此類應(yīng)用而設(shè)計的高共模電壓差動放大器。這似乎很簡單。它“只是”一個運算放大器和五個電阻。用戶不能“自己動手”嗎？是的，但電阻必須匹配到優(yōu)于0.01%，并且必須跟蹤到優(yōu)于3 ppm/°C。 電阻自發(fā)熱會降低直流CMR，而電容雜散會降低交流CMR。與8引腳DIP或SOIC相比，性能、尺寸和成本都將被犧牲。

圖2.AD629 高共模電壓差動放大器

具有模擬輸入和輸出的簡單工業(yè)過程控制環(huán)路等需要電流隔離的應(yīng)用可以使用AD202/AD204。這些是完整的隔離放大器，在輸入級和輸出級之間具有電流隔離。變壓器耦合意味著它們還可以為輸入級提供隔離電源，無需外部DC-DC轉(zhuǎn)換器。AD202/AD204提供用于輸入信號調(diào)理的獨立運算放大器，增益為100時CMR為130 dB，CMV峰值隔離為2000 V。圖3顯示了一個AD202電路*，用于測量采用高達2000 V共模電壓的±5 V滿量程信號。對于需要隔離式電橋激勵、冷端補償、線性化和其他信號調(diào)理功能的應(yīng)用，3B、5B、6B 和 7B 系列提供了一系列完整、隔離良好的信號調(diào)理器。

圖3.AD202/AD204用于需要電流隔離和模擬輸出的應(yīng)用。

一些工業(yè)傳感器應(yīng)用需要電氣隔離，并結(jié)合智能傳感器的數(shù)字輸出。數(shù)字隔離（而不是模擬隔離）可以更經(jīng)濟高效地使用，但需要外部DC-DC轉(zhuǎn)換器。此類應(yīng)用的一個例子是電機控制，其中電機中的故障情況可能會損壞控制電子設(shè)備?？梢允褂肁D7742同步電壓頻率轉(zhuǎn)換器，以及光耦合器和DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。遠程AD7742可與系統(tǒng)微處理器或微控制器連接，以完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。對于獨立應(yīng)用，可以使用串行輸出模擬前端AD7715，即16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但它需要隔離五條數(shù)字線，而不是V/F轉(zhuǎn)換器的單個數(shù)字輸出。但是，可以使用帶有內(nèi)置變壓器的五通道高速邏輯隔離器AD260，而不是5個光耦合器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖5顯示了AD7715和AD260。

圖4.AD7742用于需要電流隔離和數(shù)字輸出的應(yīng)用。

圖5.AD7715/AD260用于需要電流隔離和數(shù)字輸出的應(yīng)用。

當不需要電流隔離時，情況變得更加簡單。此類應(yīng)用的一個例子是電池單元電壓監(jiān)控。AD629既用于測量單個電池的電壓，也用于抑制串聯(lián)電池組提供的共模電壓。無需DC-DC轉(zhuǎn)換器，因為電阻網(wǎng)絡(luò)的高阻抗保護運算放大器的輸入，即使其電源電壓遠低于共模電壓。圖6顯示了AD629測量120 V電池的1.2 V電池電壓的過程。

圖6.AD629用于不需要電流隔離的模擬應(yīng)用。

最后，有些應(yīng)用不需要電流隔離，但需要數(shù)字輸出。此應(yīng)用的一個例子是微處理器控制的電源的電源電流監(jiān)控。此處，AD629與12位ADC7887配合使用。AD629提供信號調(diào)理和共模抑制，AD7887提供數(shù)字輸出。同樣，由于AD629具有高輸入阻抗和共模衰減，因此不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖7所示為AD629/AD7887在電源電流監(jiān)控應(yīng)用中的應(yīng)用。

圖7.AD629/AD7887用于不需要電流隔離的數(shù)字應(yīng)用。

審核編輯：郭婷