導(dǎo)讀：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(guò)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)。本文聚焦于用于模擬測(cè)量的隔離技術(shù)，解答了常見(jiàn)的隔離問(wèn)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
[member]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(guò)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(jiàn)的應(yīng)用在工業(yè)控制、過(guò)程控制和汽車(chē)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(guò)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(guò)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?jiàn)可用組件。這些設(shè)備所依據(jù)的原理是三種最常見(jiàn)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。后來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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。
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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(lái)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)
下面講述模擬隔離技術(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(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)ADC的保護(hù)來(lái)?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(kāi)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)。
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。
