用于可靠工業(yè)測量的隔離技術

概述

電壓、電流、溫度、壓力、應變和流速的測試是工業(yè)控制與過程控制應用不可或缺的一部分。通常，這些應用所處的環(huán)境具有危 險的電壓、瞬態(tài)信號、共模電壓和地電位波動，這會使測量系統(tǒng)受損并破壞測量的精度。為應對這些挑戰(zhàn)，專為工業(yè)應用所設計的測量系統(tǒng)采用了電氣隔離技術。本 白皮書聚焦于用于模擬測量的隔離技術，解答了常見的隔離問題，并涵蓋了關于不同的隔離實現(xiàn)技術的技術內(nèi)容。

理解隔離技術

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

? 保護昂貴設備、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 是一個可以工作于與大地不同電勢的浮動管腳。圖1展示了一個模擬電壓測量設備。存在于傳感器地和測量系統(tǒng)地之間的任何共模電壓都會受到抑制。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。

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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量系統(tǒng)都有必要考慮使用隔離技術：

? 緊鄰危險電壓

? 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波動的環(huán)境

? 電氣噪聲環(huán)境，如存在工業(yè)馬達的環(huán)境

? 必須防止電壓尖脈沖傳輸通過測量系統(tǒng)的對瞬態(tài)電壓敏感的應用

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

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

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圖2 具有隔離功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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隔離的實現(xiàn)方法

隔離技術要求信號在被傳輸通過隔離層時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傳輸?shù)某Ｒ娍捎媒M件。這些設備所依據(jù)的原理是三種最常見的隔離技術的核心——光耦合、電容耦合和感應耦合。

光學隔離技術

當兩端加上電壓時，LED就會發(fā)光。光學隔離技術采用了一個LED以及一個光電檢測設備，利用光作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)信號的跨隔離層傳輸。一個光電檢測器接收該LED所發(fā)出的光，并將其再轉(zhuǎn)換回最初的信號。

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圖3 光學隔離技術

光電二極管

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

電容隔離技術

電容隔離技術基于一個隨電容極板上的電荷量而改變的電場。該電荷跨過一個隔離層而被檢測，并與所測得信號值成正比。

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圖4 電容隔離技術

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電容隔離技術的一個優(yōu)勢是其抵抗磁噪聲干擾的能力。與光學隔離技術相比，電容隔離可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因為LED不需要進行開關操作。由于電容隔離技術涉及到用于數(shù)據(jù)傳輸電場的使用， 因此它易受到外部電場的干擾。

感應耦合隔離技術

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

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圖5 感應耦合

感應隔離技術使用了一對通過一個絕緣層分離的線圈。該絕緣層防止任何物理信號的傳輸。信號可以通過改變流經(jīng)其中一個線圈 的電流進行傳輸，因為這樣會使跨過該絕緣層在第二個線圈中產(chǎn)生類似的感應電流。感應隔離技術可以提供與電容技術相似的高速傳輸。但是由于感應耦合涉及到用 于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇艌龅氖褂茫虼怂资艿酵獠看艌龅母蓴_。

模擬隔離技術與數(shù)字隔離技術

現(xiàn)今，許多商業(yè)現(xiàn)成可用（COTS）組件都含有上述隔離實現(xiàn)技術之一。對于模擬I/O通道，您可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成信號的量化處理之前 （模擬隔離）或之后（數(shù)字隔離）在設備的模擬部分實現(xiàn)隔離功能。根據(jù)您的隔離實現(xiàn)在電路中位置的不同，您需要依據(jù)其中的一種技術來設計不同的電路。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。圖6a和6b展示了實現(xiàn)隔離功能的不同階段。

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圖6b 數(shù)字隔離技術

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

模擬隔離技術

隔離放大器一般用于在數(shù)據(jù)采集設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被傳遞至隔離放大器，該放大器提供隔離功能并將信號傳遞至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖7表示了一個隔離放大器。

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圖7 隔離放大器

在一個理想的隔離放大器中，其模擬輸出信號與模擬輸入信號完全相同。圖7中標記為“隔離”的部分采用了之前章節(jié)中討論的 技術（光耦合、電容耦合或感應耦合）之一，以跨過隔離層傳遞信號。調(diào)制器電路為隔離電路對信號進行預處理。對于光學耦合方法，您需要對該信號作量化處理， 或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為變化的光強。對于電容耦合方法和感應耦合方法，您需要將該信號轉(zhuǎn)換為變化的電場或磁場。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。

由于您在信號被量化處理之前進行了模擬隔離，因此設計配合現(xiàn)有的非隔離數(shù)據(jù)采集設備需要使用的外部信號調(diào)理電路時，可以 作為最佳方案。在這種情況下，該數(shù)據(jù)采集設備執(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)采集設備和外部信號調(diào)理電路的組合，測量系統(tǒng)的供應商就 可以開發(fā)通用數(shù)據(jù)采集設備和面向特定傳感器的信號調(diào)理方式。圖8展示了采用隔離放大器的靈活信號調(diào)理電路實現(xiàn)的模擬隔離功能。在模擬前端實現(xiàn)隔離功能的另 一個優(yōu)勢在于保護ADC和其他模擬電路免遭電壓尖峰的威脅。

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圖8 在靈活的信號調(diào)理硬件中使用隔離放大器

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對于采用通用數(shù)據(jù)采集設備和外部信號調(diào)理硬件的測量產(chǎn)品，市場上有數(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)采集設備。對于需要隔離功能的應用，您可以使用M系列設備及配套的外部信號調(diào)理 電路，如NI公司的SCXI模塊或SCC模塊。這些信號調(diào)理平臺提供了您為了實現(xiàn)與載荷測量計、應變計以及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)采集設備的關鍵組件之一。為了獲得最佳性能，ADC的輸入信號應當盡可能接近原始的模擬信號。 模擬隔離可能會在信號到達ADC之前導致包括增益、非線性和偏偏移量等誤差。將ADC放置在更為接近信號源的位置可以獲得更好的性能。同時，模擬隔離組件 價格較高，而且可能存在建立時間過長的缺點。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。由于 ADC的價格已經(jīng)大幅下降，測量設備的供應商們正在選擇通過對ADC的保護來換取數(shù)字隔離裝置所提供的更好性能和更低成本，如圖9所示。

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圖9 16-位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的價格下降曲線

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)字隔離技術也提供給模擬設計人員在選擇組件 并開發(fā)面向測量設備的最優(yōu)模擬前端時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。數(shù)字隔離組件遵循與光耦合、電容 耦合和感應耦合相同的基本原理，這也是模擬隔離技術的構成基礎。

在數(shù)字隔離組件領域領先的供應商，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。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，而模擬設備公司的隔離裝置采用感應耦合。

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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)運動控制器。

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

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圖10 工業(yè)數(shù)字I/O產(chǎn)品使用光耦合器

然而，對于高速模擬測量，光耦合器易受到速率、功耗和LED損耗等與光耦合相關的限制的影響。而基于電容耦合和感應耦合的數(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

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)信號的高抗干擾能力。與電容隔離方法和光學隔離方法相比，感應隔離消耗的功率更低。

感應隔離技術

由Analog公司在2001年引入的iCoupler技術（analog.com/iCoupler），利用感應耦合 為高速率、高通道數(shù)應用提供了數(shù)字隔離功能。iCoupler設備可以為一個采樣率達到兆赫茲范圍的16-位模擬測量系統(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設備提供了其他的技術優(yōu)勢，如功耗降低、高達125℃的高工作溫度范圍和高達25 kV/ms的瞬態(tài)信號高抗干擾能力。

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iCoupler技術基于小尺寸的、芯片大小的變壓器。一個iCoupler由三個主要部分組成——一個發(fā)射器、變壓器 和一個接收器。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?乎不受外部磁噪聲干擾。iCoupler設備還可以通過在每個集成電路（IC）上集成高達四路隔離式通道，降低測量硬件的成本，而且，與光耦合器相比，它 們所需的外部組件更少。

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圖11。來自Analog公司的基于感應耦合的iCoupler技術

來源：模擬設備公司（analog.com/iCoupler）

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

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圖12 工業(yè)NI Ｍ系列多功能DAQ采用數(shù)字隔離裝置

總結

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