專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的采用電氣隔離技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

概述

電壓、電流、溫度、壓力、應(yīng)變和流速的測(cè)試是工業(yè)控制與過程控制應(yīng)用不可或缺的一部分。通常，這些應(yīng)用所處的環(huán)境具有危險(xiǎn)的電壓、瞬態(tài)信號(hào)、共模電壓和地電位波動(dòng)，這會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)受損并破壞測(cè)量的精度。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，專為工業(yè)應(yīng)用所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)采用了電氣隔離技術(shù)。本白皮書聚焦于用于模擬測(cè)量的隔離技術(shù)，解答了常見的隔離問題，并涵蓋了關(guān)于不同的隔離實(shí)現(xiàn)技術(shù)的技術(shù)內(nèi)容。

理解隔離技術(shù)

電氣隔離使可能會(huì)暴露在危險(xiǎn)電壓下的傳感器信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)的低壓背板相分離。隔離提供了許多優(yōu)勢(shì)，其中包括：

保護(hù)昂貴設(shè)備、用戶生命以及數(shù)據(jù)免遭瞬態(tài)電壓威脅 改善抗干擾度 去除接地回路現(xiàn)象 提高共模電壓抑制能力

經(jīng)隔離處理的測(cè)量系統(tǒng)為模擬前端和系統(tǒng)背板分別提供接地面，以使傳感器測(cè)量與系統(tǒng)其他部分相分離。該隔離前端的接地連接是一個(gè)可以工作于與大地不同電勢(shì)的浮動(dòng)管腳。圖1展示了一個(gè)模擬電壓測(cè)量設(shè)備。存在于傳感器地和測(cè)量系統(tǒng)地之間的任何共模電壓都會(huì)受到抑制。這樣可以防止接地環(huán)路的形成，并剔除傳感器線路上的任何噪聲。

圖1. 通道隔離的模擬輸入電路

隔離的必要性

涉及以下任一種情形的測(cè)量系統(tǒng)都有必要考慮使用隔離技術(shù)：

緊鄰危險(xiǎn)電壓 可能存在瞬態(tài)電壓的工業(yè)環(huán)境 存在共模電壓或接地電勢(shì)波動(dòng)的環(huán)境 電氣噪聲環(huán)境，如存在工業(yè)馬達(dá)的環(huán)境 必須防止電壓尖脈沖傳輸通過測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)瞬態(tài)電壓敏感的應(yīng)用

共模電壓、瞬態(tài)高電壓和電氣噪聲較為常見的應(yīng)用在工業(yè)控制、過程控制和汽車測(cè)試等。帶有隔離功能的測(cè)量設(shè)備可以在這些惡劣的環(huán)境下提供可靠的測(cè)量。對(duì)于與病人直接接觸的醫(yī)療設(shè)備，隔離有助于防止電源線路的瞬態(tài)電流傳輸通過該設(shè)備。

根據(jù)您對(duì)電壓和數(shù)據(jù)的要求，您可從數(shù)種隔離測(cè)量的方法中進(jìn)行選擇。您可以采用面向便攜機(jī)、臺(tái)式機(jī)PC、工業(yè)PC、 PXI、平板PC和CompactPCI的插入式板卡，并可以選擇內(nèi)置隔離或外部信號(hào)調(diào)理。您還可以利用面向USB的可編程自動(dòng)化控制器（PAC）和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行隔離測(cè)量。

圖2 具有隔離功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隔離的實(shí)現(xiàn)方法

隔離技術(shù)要求信號(hào)在被傳輸通過隔離層時(shí)不能存在任何的直接電氣接觸。發(fā)光二極管（LED）、電容和電感是三種支持非直接接觸式電氣信號(hào)傳輸?shù)某Ｒ娍捎媒M件。這些設(shè)備所依據(jù)的原理是三種最常見的隔離技術(shù)的核心——光耦合、電容耦合和感應(yīng)耦合。

光學(xué)隔離技術(shù)

當(dāng)兩端加上電壓時(shí)，LED就會(huì)發(fā)光。光學(xué)隔離技術(shù)采用了一個(gè)LED以及一個(gè)光電檢測(cè)設(shè)備，利用光作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跨隔離層傳輸。一個(gè)光電檢測(cè)器接收該LED所發(fā)出的光，并將其再轉(zhuǎn)換回最初的信號(hào)。

圖3 光學(xué)隔離技術(shù)

光電二極管

光學(xué)隔離技術(shù)是最常使用的隔離方法之一。采用光學(xué)隔離的優(yōu)勢(shì)之一便是其 抵抗電氣噪聲和磁噪聲干擾的能力。這種技術(shù)的也存在一些不足之處，包括受LED開關(guān)速率限制的傳輸速率、高功耗和LED損耗。

電容隔離技術(shù)

電容隔離技術(shù)基于一個(gè)隨電容極板上的電荷量而改變的電場(chǎng)。該電荷跨過一個(gè)隔離層而被檢測(cè)，并與所測(cè)得信號(hào)值成正比。

圖4 電容隔離技術(shù)

電容隔離技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其抵抗磁噪聲干擾的能力。與光學(xué)隔離技術(shù)相比，電容隔離可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因?yàn)長(zhǎng)ED不需要進(jìn)行開關(guān)操作。由于電容隔離技術(shù)涉及到用于數(shù)據(jù)傳輸電場(chǎng)的使用， 因此它易受到外部電場(chǎng)的干擾。

感應(yīng)耦合隔離技術(shù)

在十九世紀(jì)早期，丹麥物理學(xué)家漢斯?奧斯特發(fā)現(xiàn)，電流通過線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。后來人們發(fā)現(xiàn)，緊挨一個(gè)線圈所產(chǎn)生變化磁場(chǎng)的另一個(gè)線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。第二只線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流取決于第一個(gè)線圈中電流變化的速率。這一原理被稱為互感，并奠定了感應(yīng)隔離技術(shù)的基礎(chǔ)。

圖5 感應(yīng)耦合

感應(yīng)隔離技術(shù)使用了一對(duì)通過一個(gè)絕緣層分離的線圈。該絕緣層防止任何物理信號(hào)的傳輸。信號(hào)可以通過改變流經(jīng)其中一個(gè)線圈的電流進(jìn)行傳輸，因?yàn)檫@樣會(huì)使跨過該絕緣層在第二個(gè)線圈中產(chǎn)生類似的感應(yīng)電流。感應(yīng)隔離技術(shù)可以提供與電容技術(shù)相似的高速傳輸。但是由于感應(yīng)耦合涉及到用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇艌?chǎng)的使用，因此它易受到外部磁場(chǎng)的干擾。

模擬隔離技術(shù)與數(shù)字隔離技術(shù)

現(xiàn)今，許多商業(yè)現(xiàn)成可用（COTS）組件都含有上述隔離實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一。對(duì)于模擬I/O通道，您可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成信號(hào)的量化處理之前 （模擬隔離）或之后（數(shù)字隔離）在設(shè)備的模擬部分實(shí)現(xiàn)隔離功能。根據(jù)您的隔離實(shí)現(xiàn)在電路中位置的不同，您需要依據(jù)其中的一種技術(shù)來設(shè)計(jì)不同的電路。您可以基于您的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能、成本和物理需求，選擇模擬或數(shù)字隔離技術(shù)。圖6a和6b展示了實(shí)現(xiàn)隔離功能的不同階段。

圖6a 模擬隔離技術(shù)

圖6b 數(shù)字隔離技術(shù)

下列章節(jié)覆蓋了模擬隔離技術(shù)與數(shù)字隔離技術(shù)的更多細(xì)節(jié)，并闡述了實(shí)現(xiàn)這兩者的不同技術(shù)

模擬隔離技術(shù)

隔離放大器一般用于在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬前端中提供隔離功能。圖6a中的“隔離放大器”表示一個(gè)隔離放大器，在大多數(shù)電路中，它是模擬電路的前件之一。來自傳感器的模擬信號(hào)被傳遞至隔離放大器，該放大器提供隔離功能并將信號(hào)傳遞至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖7表示了一個(gè)隔離放大器。

圖7 隔離放大器

在一個(gè)理想的隔離放大器中，其模擬輸出信號(hào)與模擬輸入信號(hào)完全相同。圖7中標(biāo)記為“隔離”的部分采用了之前章節(jié)中討論的 技術(shù)（光耦合、電容耦合或感應(yīng)耦合）之一，以跨過隔離層傳遞信號(hào)。調(diào)制器電路為隔離電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于光學(xué)耦合方法，您需要對(duì)該信號(hào)作量化處理，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為變化的光強(qiáng)。對(duì)于電容耦合方法和感應(yīng)耦合方法，您需要將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。然后，解調(diào)器電路讀入隔離電路的輸出，并將其轉(zhuǎn)化回最初的模擬信號(hào)。

由于您在信號(hào)被量化處理之前進(jìn)行了模擬隔離，因此設(shè)計(jì)配合現(xiàn)有的非隔離數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要使用的外部信號(hào)調(diào)理電路時(shí)，可以作為最佳方案。在這種情況下，該數(shù)據(jù)采集設(shè)備執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而外部的電路提供隔離功能。利用該數(shù)據(jù)采集設(shè)備和外部信號(hào)調(diào)理電路的組合，測(cè)量系統(tǒng)的供應(yīng)商就可以開發(fā)通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備和面向特定傳感器的信號(hào)調(diào)理方式。圖8展示了采用隔離放大器的靈活信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)的模擬隔離功能。在模擬前端實(shí)現(xiàn)隔離功能的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于保護(hù)ADC和其他模擬電路免遭電壓尖峰的威脅。

圖8 在靈活的信號(hào)調(diào)理硬件中使用隔離放大器

對(duì)于采用通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備和外部信號(hào)調(diào)理硬件的測(cè)量產(chǎn)品，市場(chǎng)上有數(shù)種配置可供選擇。例如，NI M系列包含多款提供高性能模擬I/O和數(shù)字I/O的非隔離式通用多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備。對(duì)于需要隔離功能的應(yīng)用，您可以使用M系列設(shè)備及配套的外部信號(hào)調(diào)理 電路，如NI公司的SCXI模塊或SCC模塊。這些信號(hào)調(diào)理平臺(tái)提供了您為了實(shí)現(xiàn)與載荷測(cè)量計(jì)、應(yīng)變計(jì)以及pH傳感器等工業(yè)傳感器直接連接所需的隔離功能 和專用信號(hào)調(diào)理功能。

數(shù)字隔離

ADC是任何模擬輸入數(shù)據(jù)采集設(shè)備的關(guān)鍵組件之一。為了獲得最佳性能，ADC的輸入信號(hào)應(yīng)當(dāng)盡可能接近原始的模擬信號(hào)。 模擬隔離可能會(huì)在信號(hào)到達(dá)ADC之前導(dǎo)致包括增益、非線性和偏偏移量等誤差。將ADC放置在更為接近信號(hào)源的位置可以獲得更好的性能。同時(shí)，模擬隔離組件價(jià)格較高，而且可能存在建立時(shí)間過長(zhǎng)的缺點(diǎn)。盡管數(shù)字隔離可以獲得更好的性能，但是，在過去使用模擬隔離的原因之一卻是為昂貴的ADC提供保護(hù)。由于 ADC的價(jià)格已經(jīng)大幅下降，測(cè)量設(shè)備的供應(yīng)商們正在選擇通過對(duì)ADC的保護(hù)來換取數(shù)字隔離裝置所提供的更好性能和更低成本，如圖9所示。

圖9 16-位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的價(jià)格下降曲線

與隔離放大器相比，數(shù)字隔離組件具有更低的成本并提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)字隔離技術(shù)也提供給模擬設(shè)計(jì)人員在選擇組件并開發(fā)面向測(cè)量設(shè)備的最優(yōu)模擬前端時(shí)能夠有更高的靈活性。具有數(shù)字隔離功能的產(chǎn)品利用限流電路和限壓電路提供ADC保護(hù)。數(shù)字隔離組件遵循與光耦合、電容 耦合和感應(yīng)耦合相同的基本原理，這也是模擬隔離技術(shù)的構(gòu)成基礎(chǔ)。

在數(shù)字隔離組件領(lǐng)域領(lǐng)先的供應(yīng)商，如安華高科技（www.avagotech.com）、 德州儀器（www.ti.com）和Analog（www.analog.com）等公司，已圍繞這些基本原理其中開發(fā)了各自的隔離技術(shù)。安華高科技提供了基于光耦合的數(shù)字隔離功能。德州儀器的隔離裝置則基于電容耦合，而模擬設(shè)備公司的隔離裝置采用感應(yīng)耦合。

光耦合器

光耦合器，即基于光耦合原理的數(shù)字隔離裝置，是最古老也是最常用的數(shù)字隔離方法之一。它們可耐高壓并提供對(duì)電氣噪聲和磁噪聲的高抗干擾能力。光耦合器常用于工業(yè)數(shù)字I/O產(chǎn)品中，如NI PXI-6514隔離式數(shù)字I/O模塊（如圖10所示）和NI PCI-7390工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制器。

Industrial Digital I/O工業(yè)數(shù)字I/O、Optpcouplers光耦合器、 Digital Input數(shù)字輸入、Digital Output數(shù)字輸出

圖10 工業(yè)數(shù)字I/O產(chǎn)品使用光耦合器

然而，對(duì)于高速模擬測(cè)量，光耦合器易受到速率、功耗和LED損耗等與光耦合相關(guān)的限制的影響。而基于電容耦合和感應(yīng)耦合的數(shù)字隔離裝置可以緩解許多光耦合器的限制。

電容隔離技術(shù)

德州儀器提供了基于電容耦合的數(shù)字隔離組件。這些隔離裝置提供了高數(shù)據(jù)傳輸速率和瞬態(tài)信號(hào)的高抗干擾能力。與電容隔離方法和光學(xué)隔離方法相比，感應(yīng)隔離消耗的功率更低。

感應(yīng)隔離技術(shù)

由Analog公司在2001年引入的iCoupler技術(shù)（analog.com/iCoupler），利用感應(yīng)耦合 為高速率、高通道數(shù)應(yīng)用提供了數(shù)字隔離功能。iCoupler設(shè)備可以為一個(gè)采樣率達(dá)到兆赫茲范圍的16-位模擬測(cè)量系統(tǒng)在耐2500 V隔離下提供100 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。與光耦合器不同，iCoupler設(shè)備提供了其他的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如功耗降低、高達(dá)125℃的高工作溫度范圍和高達(dá)25 kV/ms的瞬態(tài)信號(hào)高抗干擾能力。

iCoupler技術(shù)基于小尺寸的、芯片大小的變壓器。一個(gè)iCoupler由三個(gè)主要部分組成——一個(gè)發(fā)射器、變壓器和一個(gè)接收器。發(fā)射器電路利用邊緣觸發(fā)器編碼，并將數(shù)字線路上的上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為1 ns的脈沖。這些脈沖利用變壓器跨隔離層傳輸，并在另一側(cè)通過接收器電路解碼，如圖11所示。這些變壓器的小尺寸（約為1毫米的十分之三大?。┦沟盟鼈儙缀醪皇芡獠看旁肼暩蓴_。iCoupler設(shè)備還可以通過在每個(gè)集成電路（IC）上集成高達(dá)四路隔離式通道，降低測(cè)量硬件的成本，而且，與光耦合器相比，它 們所需的外部組件更少。

圖11 來自Analog公司的基于感應(yīng)耦合的iCoupler技術(shù)

來源：模擬設(shè)備公司（analog.com/iCoupler）

測(cè)量硬件供應(yīng)商們正使用由iCoupler 設(shè)備提供低成本高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。面向高速測(cè)量應(yīng)用的NI工業(yè)數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備，如工業(yè)M系列多功能DAQ設(shè)備，采用了如圖12所示的 iCoupler數(shù)字隔離裝置。這些設(shè)備在模擬通道和數(shù)字通道上提供60 VDC的連續(xù)隔離和長(zhǎng)達(dá)5秒的1，400 Vrms/1，900 VDC通道與總線間隔離承受，并支持高達(dá)250 kS/s的采樣率。用于NI PAC平臺(tái)、NI CompactRIO、NI CompactDAQ以及其他高速NI USB設(shè)備的NI C系列模塊也采用了iCoupler技術(shù)。

圖12 工業(yè)NI Ｍ系列多功能DAQ采用數(shù)字隔離裝置

總結(jié)

帶隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在有危險(xiǎn)電壓和瞬態(tài)信號(hào)存在的惡劣環(huán)境下保證其可靠測(cè)量。您對(duì)于隔離功能的需求取決于的測(cè)量應(yīng)用及其周圍環(huán)境的。那些需要利用單個(gè)通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備與不同特性的傳感器相連的應(yīng)用，可以得益于具有模擬隔離功能的外部信號(hào)調(diào)理電路；然而，低成本、高性能模擬輸入的應(yīng)用則可得益于具有數(shù)字隔離技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)。