用于工業(yè)測(cè)量的隔離方法

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?yè)Q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。