可消除USB數(shù)據(jù)采集模塊潛在危險(xiǎn)的方法

我們來更仔細(xì)分析這些應(yīng)用環(huán)境，從每個(gè)案例中了解隔離的作用。

案例1： ESD、閃電或電源浪涌

圖1展示了一個(gè)典型的應(yīng)用場景，其中一個(gè)傳感器正在測量待測設(shè)備的電壓。該傳感器一頭連接到USB數(shù)據(jù)采集模塊，另一頭連接到PC。

ESD、閃電以及電源浪涌產(chǎn)生突發(fā)的瞬時(shí)過壓，即使時(shí)間很短，也可能損害整個(gè)系統(tǒng)中的電子元件。如果USB數(shù)據(jù)采集模塊沒有隔離(見圖2)，這些事件產(chǎn)生的電流回流通過整個(gè)系統(tǒng)，最后到達(dá)PC并且可能損害PC和其他系統(tǒng)部件。

一些數(shù)據(jù)采集方案供應(yīng)商所提供的未隔離模塊在出現(xiàn)瞬時(shí)過壓時(shí)事實(shí)上會(huì)鎖死整個(gè)系統(tǒng)，從而不得不重啟系統(tǒng)。在測量應(yīng)用中這種行為是不能接受的。

與之對比的是，隔離的模塊(圖3中顯示)通過模塊的地平面釋放有害的電流，來保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。

即使引入的瞬時(shí)電壓很小不足以損害系統(tǒng)，也要小心你的數(shù)據(jù)可能包含很大的錯(cuò)誤，特別在高分辨率的情況下。例如，如果使用具有16位分辨率的USB模塊來測量±10V 電壓范圍的信號，LSB值是0.31mV(見表1)。如果這個(gè)模塊未隔離，同時(shí)電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬時(shí)電壓，數(shù)據(jù)因此可能偏差數(shù)百毫伏。甚至在靜態(tài)環(huán)境中，你的數(shù)據(jù)也可能偏差幾十毫伏。當(dāng)測量低電平的信號時(shí)這算得上是巨大的差錯(cuò)。

如果需要高精度、低噪聲的測量，隔離至關(guān)重要。Data Translation公司所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，都提供高達(dá)500V的電氣隔離。電氣隔離把輸入信號中的能量轉(zhuǎn)化成輸出信號在模塊的地平面上流走。結(jié)果，你的計(jì)算機(jī)保持安全，測量結(jié)果更加精確。

以DT9801模塊為例，通過使用下列的元件提供高達(dá)500V的電氣隔離：

1.變壓器：從無延遲的快速時(shí)鐘信號中轉(zhuǎn)換能量；

2.光隔離器：從帶有幾十毫秒延遲的較慢的控制信號中轉(zhuǎn)化能量；

3.差分容性耦合：從帶有1毫秒延遲的慢速數(shù)據(jù)通道中轉(zhuǎn)化能量。

案例2 ：不同的地電位

單端模擬輸入是參考大地的未隔離的輸入。在未隔離系統(tǒng)中，甚至數(shù)字I/O信號都連到同樣的地上。如果待測系統(tǒng)和USB數(shù)據(jù)采集模塊共享同樣的地(通過連到建筑物的電源系統(tǒng))，兩個(gè)設(shè)備地電位間的差別是實(shí)際存在的(超過100mV)?？焖匍_關(guān)電流必須沿著5米長的USB線纜流到PC。

根據(jù)如何將單端輸入連接到該模塊，你可能引入地環(huán)路誤差，即當(dāng)在最長達(dá)5米的USB線纜中添加信號和其他地電位時(shí)，不僅僅帶來了高度不準(zhǔn)確的測量結(jié)果，而且還可能會(huì)損害待測系統(tǒng)。圖5顯示了不恰當(dāng)?shù)膯味溯斎脒B接實(shí)例。

圖6是更好的單端輸入的連接方案，能減少地環(huán)路誤差。

為了最精確的測量結(jié)果，可使用差分輸入(顯示在圖7中)。差分輸入是帶隔離的輸入，因?yàn)樗鼈儏⒖嫉牡貐⒖键c(diǎn)不連接到大地上。結(jié)果，它們消除了共模電壓誤差，這種誤差會(huì)在地電位差出現(xiàn)時(shí)發(fā)生。

因此，如果你正在測量低電平的信號，這種情況下噪聲是測量中非常重要的環(huán)節(jié)。或者如果共模電壓存在，則要確保USB數(shù)據(jù)采集模塊提供差分輸入連接。Data Translation所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，提供了上至8或16個(gè)差分輸入連接以提供最大程度的地環(huán)路保護(hù)。

案例3：良好的情況下

在良好的環(huán)境中，瞬時(shí)電氣信號毛刺和地電位差不存在，因此不需要隔離。在未隔離的系統(tǒng)中，PC直接與傳感器的地系統(tǒng)相連，所以只要沒有噪聲或其它誤差加到電壓源上，測量就會(huì)是準(zhǔn)確的。

盡管未隔離的解決方案購買時(shí)可能會(huì)更便宜，但測試與測量應(yīng)用很少是處于良好情況。所以要小心，如果你選擇了未隔離的解決方案，可能會(huì)導(dǎo)致可估算的后端成本，這是由于數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確或系統(tǒng)出現(xiàn)故障引起的額外開支。