如何在高共模電壓下測量小差分電壓

簡介

在電機控制，電源電流監(jiān)控和電池電壓監(jiān)控等應用中，必須在高共模電壓下檢測到小的差分電壓。其中一些應用需要電流隔離，而另一些則不需要。一些應用使用模擬控制，其他應用使用數字控制。將考慮這種測量的四種情況，每種情況都需要獨特的考慮因素。它們是：

帶模擬輸出的電流隔離;

帶數字輸出的電流隔離;

無電流隔離，模擬輸出;

無電隔離，數字輸出。

差分信號與共模信號

圖1顯示了測量系統(tǒng)的輸入。 V DIFF 表示感興趣的信號差分電壓。 V CM 表示共模 電壓，其中不包含有關測量的有用信息，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，如在電池單元電壓監(jiān)視應用中，或者它可以由傳感器意外地與高電壓接觸的故障條件產生。在任何一種情況下，該電壓都是不需要的，測量系統(tǒng)的工作就是拒絕它，同時響應差模電壓。

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，而共模增益理想地為零。電阻不匹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。反過來，這會導致直流共模增益非零。如果差分增益

在實際應用中，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），設備開關以及射頻傳輸源耦合。這種類型的干擾同樣被引入兩個差分輸入，因此表現為共模信號。因此，除高直流CMR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處。直流共模誤差主要是電阻不匹配的函數。相反，交流共模誤差是反相和非反相輸入之間的相移或時間延遲差異的函數。通過使用匹配良好的高速元件可以最大限度地減少這些因素，并且可以使用電容器進行微調。或者，在低頻應用中，如果需要，可以使用輸出濾波。雖然通?？梢酝ㄟ^校準或修整來消除直流共模誤差?？赡芙档蜏y量分辨率的AC共模誤差通常更受關注。所有ADI公司儀表放大器都完全適用于直流和低頻交流共模抑制。

電流隔離

某些應用要求傳感器之間沒有直接電氣連接和系統(tǒng)電子。這些應用需要電流隔離，以保護傳感器，系統(tǒng)或兩者?？赡苄枰Ｗo系統(tǒng)電子器件免受傳感器處的高電壓?；蛘撸谛枰举|安全的應用中，可能需要隔離傳感器激勵和電源電路以防止可能由故障狀況引起的火花或點燃爆炸性氣體。在醫(yī)療應用中，例如心電圖（ECG），需要在兩個方向上進行保護。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ECG機器免受施加于患者的非常高的電壓，以試圖恢復心跳。

電流隔離也用于打破接地回路，即使兩個系統(tǒng)接地之間的小電阻也可能產生不可接受的高電位。這可能發(fā)生在精密轉換系統(tǒng)中，其中流過百分之幾歐姆的毫安電流可能產生數百微伏的接地誤差，這可能限制測量的分辨率。或者它可能發(fā)生在工業(yè)裝置中，數千安培的電流可能產生數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，通常需要隔離電源（或電池）來為隔離器的浮動側供電。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合。其他方法可能需要單獨的變壓器耦合DC-DC轉換器，這會增加成本。

高阻抗與電流隔離

許多應用需要能夠檢測到小的差分電壓。存在高共模電壓，但不需要本質安全性或斷開電流隔離提供的接地回路的能力。這些應用需要高CMR放大器，可以接受高共模電壓。這種類型的放大器，有時被稱為“窮人的隔離放大器”，將傳感器與系統(tǒng)隔離，具有高阻抗，而不是電流隔離屏障。雖然不是真正意義上的隔離，但它在某些應用中可以以更低的成本實現相同的目的。此外，不需要DC-DC轉換器，因為整個系統(tǒng)由相同的電源供電。

圖2顯示了AD629，一種高共模電壓差放大器，專為這些類型的應用程序而設計?？雌饋砗芎唵巍Ｋ皇且粋€運算放大器和五個電阻器。用戶不能“滾動自己”嗎？是的，但電阻必須匹配到0.01％以上，并且必須追蹤到高于3 ppm /°C。電阻自加熱會降低直流CMR，而電容性線路則會降低交流CMR。與8引腳DIP或SOIC相比，性能，尺寸和成本都將被犧牲。

諸如帶有需要電流隔離的模擬輸入和輸出的簡單工業(yè)過程控制回路等應用可以使用AD202 / AD204。這些是完整的隔離放大器，在輸入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轉換器。 AD202 / AD204提供非專用運算放大器，用于輸入信號調理，增益為100時CMR為130 dB，CMV峰值為2000 V峰值。圖3顯示了AD202電路*，用于測量高達2000 V的共模電壓下的±5 V滿量程信號。對于需要隔離電橋激勵，冷端補償，線性化和其他信號的應用 - 調節(jié)功能，3B，5B，6B和7B系列提供了一系列完整，隔離良好的信號調節(jié)器。

一些工業(yè)傳感器應用需要電流隔離，并結合數字輸出智能傳感器。數字隔離而非模擬隔離可以更經濟高效地使用，但需要外部DC-DC轉換器。這種應用的一個例子是電動機控制，其中電動機中的故障狀況可能破壞控制電子設備。可以使用AD7742同步電壓 - 頻率轉換器，以及光耦合器和DC-DC轉換器，如圖4所示。遠程AD7742可以與系統(tǒng)微處理器或微控制器連接以完成A / D轉換。對于獨立應用，可以使用串行輸出AD7715模擬前端，一個16位sigma-delta A / D轉換器，但它有五條數字線隔離，而不是V / F的單一數字輸出轉換器。然而，可以使用具有自己的板載變壓器的AD260五通道高速邏輯隔離器，而不是五個光耦合器和一個DC-DC轉換器。圖5顯示了AD7715和AD260。

當不需要電流隔離時，情況變得更加簡單。這種類型的應用的一個例子是電池單元電壓監(jiān)測。 AD629既可用于測量單個電池的電壓，也可用于抑制串聯(lián)電池堆棧提供的共模電壓。不需要DC-DC轉換器，因為電阻網絡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AD629測量1.2 V電池的電壓，該電池是120 V電池的一部分。

最后，有些應用不需要電流隔離，但需要數字輸出。該應用的一個例子是微處理器控制的電源的供電電流監(jiān)控。 AD629與AD7887 12位ADC配合使用。 AD629提供信號調理和共模抑制，而AD7887則提供數字輸出。同樣，由于AD629的高輸入阻抗和共模衰減，因此無需DC-DC轉換器。圖7顯示了AD629 / AD7887在電源電流監(jiān)測應用中的應用。

這些圖是說明性示例;它們不是測試應用程序的詳細原理圖。有關更多信息，請參閱產品數據表。您還可以找到在線研討會筆記，實用模擬設計技術和傳感器信號調節(jié)實用設計技術（可從ADI獲得）這本書，作為設計信息的有用來源。使用高壓電路時要格外小心