隔離技術(shù)應(yīng)用于可靠性工業(yè)測量

1. 理解隔離

電氣意義上的隔離是將暴露于危險(xiǎn)電壓1的傳感器信號(hào)與測試系統(tǒng)的低壓背板隔開。隔離能夠提供許多優(yōu)勢，包括：

• 保護(hù)昂貴設(shè)備、用戶及數(shù)據(jù)不受瞬態(tài)電壓的危及。
• 改善噪聲抑制能力
• 消除接地環(huán)路
• 提高共模電壓抑制

隔離型測量系統(tǒng)為模擬前端和系統(tǒng)底板提供分離的接地面，將傳感器的測量與系統(tǒng)的其它部分隔離開。隔離前端的接地是懸空的引腳，可工作于大地接地以外的電壓。圖1為模擬電壓測量設(shè)備。傳感器地與測試系統(tǒng)地之間的任何共模電壓都能被抑制，從而避免了接地環(huán)路的引起和噪聲對(duì)傳感器線路造成影響。

圖1.組隔離的模擬輸入電路

1危險(xiǎn)電壓為大于30 Vrms, 42.4 Vpk,或60 VDC的電壓。

2. 對(duì)隔離的需求

以下的測量系統(tǒng)需要考慮隔離：

• 與危險(xiǎn)電壓鄰接
• 可能產(chǎn)生瞬態(tài)電壓的工業(yè)環(huán)境
• 存在共模電壓或不穩(wěn)定地電位的環(huán)境
• 電氣噪聲環(huán)境，如存在工業(yè)電機(jī)
• 瞬態(tài)敏感的應(yīng)用，必須避免在測量系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓尖峰

工業(yè)測量、過程控制、及自動(dòng)化測試是存在共模電壓、高瞬態(tài)電壓、及電氣噪聲的典型應(yīng)用。具有隔離的測量設(shè)備能夠在嚴(yán)酷環(huán)境下提供可靠的測量。針對(duì)與患者直接接觸的醫(yī)療設(shè)備，隔離能夠有效避免設(shè)備中瞬態(tài)功率的傳輸。

根據(jù)用戶對(duì)電壓及數(shù)據(jù)率的要求，隔離測量可以有多種選擇。用戶可選擇用于筆記本、桌面PC、工業(yè)PC、PXI、平板PC、及CompactPCI的插入式板，它具有內(nèi)置隔離或外置信號(hào)調(diào)理。用戶也可通過可編程自動(dòng)控制器(PACs)及USB測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)隔離測量。

圖2.隔離型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3. 實(shí)現(xiàn)隔離的方法

隔離要求信號(hào)通過隔離阻障傳輸，不能有直接電氣連接。常用的非接觸式信號(hào)傳輸器件有發(fā)光二極管(LED)、電容、電感等。此類器件的基本原理即是最常見的三種隔離技術(shù)：光電、電容、及電感耦合。

光電隔離

LED能在通電時(shí)發(fā)光。光電隔離利用LED與光電探測設(shè)備實(shí)現(xiàn)隔離阻障，通過光來傳輸信號(hào)。光電探測設(shè)備接受LED發(fā)出的光信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。

圖3.光電隔離

光電隔離是最常用的隔離方法。使用光電隔離的優(yōu)勢是能夠避免電氣與磁場噪聲。而缺點(diǎn)則是傳輸速度受限于LED的轉(zhuǎn)換速度、高功率散射及LED磨損。

電容隔離

電容隔離是基于電荷聚集于電容板而產(chǎn)生的電勢變化。該變化從隔離阻障中測量得到，它與測量信號(hào)大小成比例。

圖4.電容隔離

電容隔離的優(yōu)點(diǎn)是能夠抑制電磁干擾。因?yàn)殡娙莞綦x不像光電隔離需要LED轉(zhuǎn)換，所以能支持更快的數(shù)據(jù)傳輸率。但由于電容耦合利用電勢來傳輸數(shù)據(jù)，因此容易受到外部電場的干擾。

電感耦合隔離

19世紀(jì)早期，丹麥物理學(xué)家Hans Oersted發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場。之后又發(fā)現(xiàn)，能在靠近產(chǎn)生變化磁場線圈的另一個(gè)線圈上獲得感應(yīng)電流。另一個(gè)線圈上感應(yīng)的電壓及電流大小取決于第一個(gè)線圈上的交變電流。該現(xiàn)象被稱為互感，它就是電感耦合的基本原理。

圖5.電感耦合

電感耦合使用一對(duì)具有絕緣層的線圈。絕緣層隔離了物理信號(hào)的傳輸。一端線圈上的變化電流會(huì)在絕緣阻障另一端的線圈上感應(yīng)類似的電流，信號(hào)就通過這種方式傳播。電感隔離提供與電容技術(shù)類似的高速傳輸。但由于電感耦合傳輸信號(hào)要涉及磁場，所以容易受到外部磁場干擾。

4. 模擬隔離與數(shù)字隔離

現(xiàn)在，許多商用現(xiàn)貨器件集成了以上某項(xiàng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)隔離。對(duì)于模擬I/O通道，隔離可在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化信號(hào)前的模擬部分實(shí)現(xiàn)（模擬隔離），也可在ADC數(shù)字化信號(hào)后實(shí)現(xiàn)（數(shù)字隔離）。根據(jù)隔離實(shí)現(xiàn)位置的不同，用戶需要針對(duì)上述三種技術(shù)設(shè)計(jì)不同的電路。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能、成本及物理需求來決定選擇模擬隔離或數(shù)字隔離。圖6a及圖6b顯示了在兩種隔離的實(shí)現(xiàn)。

圖6a.模擬隔離

圖6b.數(shù)字隔離

以下部分將詳細(xì)分析模擬隔離及數(shù)字隔離，并討論兩者不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

模擬隔離

隔離放大器是數(shù)據(jù)采集設(shè)備中模擬前端的常用隔離器件。圖6a的“ISO Amp”即為隔離放大器，在多數(shù)電路中都是模擬電路部分的首個(gè)器件。傳感器的模擬信號(hào)首先通過隔離放大器，實(shí)現(xiàn)隔離后再將其送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖7為隔離放大器的常見布局。

圖7.隔離放大器

在理想的隔離放大器中，模擬輸出信號(hào)應(yīng)該與模擬輸入信號(hào)一致。圖7中標(biāo)有“隔離”的部分采用了上文討論的技術(shù)（光電、電容、電感耦合），使信號(hào)通過隔離阻障。模塊化電路已為信號(hào)提供了隔離電路。對(duì)于光電方式，需要將信號(hào)數(shù)字化或轉(zhuǎn)換為不同的光強(qiáng)度。對(duì)于電容及電感方式，需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同的電場或磁場。解調(diào)電路讀取隔離電路的輸出，并將其轉(zhuǎn)換回原始模擬信號(hào)。

由于模擬隔離位于信號(hào)數(shù)字化之前，對(duì)于已有的無隔離數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采用外部信號(hào)調(diào)理是最佳方案。此時(shí)，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，而由外部電路提供隔離。結(jié)合數(shù)據(jù)采集設(shè)備與外部信號(hào)調(diào)理，測量系統(tǒng)供應(yīng)商能開發(fā)出多用途的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及傳感器專用信號(hào)調(diào)理。圖8中采用隔離放大器設(shè)計(jì)靈活的信號(hào)調(diào)理，實(shí)現(xiàn)模擬隔離。將隔離置于模擬前端的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠保護(hù)ADC及其它模擬電路免受電壓尖峰影響。

圖8.隔離放大器用于靈活的信號(hào)調(diào)理硬件

市面上有多款使用通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備與外部信號(hào)調(diào)理的測量產(chǎn)品，如NI M系列的幾款非隔離型通用多用途數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可提供高性能的模擬I/O及數(shù)字I/O。對(duì)于需要隔離的應(yīng)用，您可以選用帶外部信號(hào)調(diào)理的M系列設(shè)備，如美國國家儀器公司的SCXI或SCC模塊。這些信號(hào)調(diào)理平臺(tái)提供隔離及專用信號(hào)調(diào)理功能，可直接與負(fù)載單元、應(yīng)力規(guī)、pH傳感器等工業(yè)傳感器連接。

數(shù)字隔離

ADC是模擬輸入數(shù)據(jù)采集設(shè)備的關(guān)鍵器件之一。為了獲得最佳的性能，ADC的輸入信號(hào)應(yīng)盡量與原始模擬信號(hào)一致。模擬隔離可能在信號(hào)傳輸?shù)紸DC的過程中引入增益、非線性、及偏移等誤差。ADC離信號(hào)源越近，性能就越好。由于模擬隔離器件價(jià)格昂貴且調(diào)整時(shí)間長，在過去，盡管數(shù)字隔離性能更好，但是為了保護(hù)昂貴的ADC，不得不選擇模擬隔離。隨著ADC價(jià)格不斷降低，測量設(shè)備的供應(yīng)商正從對(duì)ADC的保護(hù)轉(zhuǎn)而追求數(shù)字隔離器以實(shí)現(xiàn)更好的性能及更低的成本，如圖9所示。

圖9. 16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器價(jià)格不斷降低
圖片來源：美國國家儀器公司和ADC主要供應(yīng)商

與隔離放大器相比，數(shù)字隔離器件成本更低，數(shù)據(jù)傳輸速率更高。數(shù)字隔離技術(shù)也在模擬電路工程師選擇器件及開發(fā)測量設(shè)備的光電模擬前端過程中，提供了更大的靈活性。具有數(shù)字隔離的產(chǎn)品使用限流及限壓保護(hù)電路來對(duì)ADC提供保護(hù)。數(shù)字隔離器件的基本原理與模擬隔離中光電、電容及電感耦合的原理相似。

光耦合器

光耦合器是基于光電耦合原理的數(shù)字耦合器，它使用時(shí)間最長，也是最常見的數(shù)字隔離方式。它能經(jīng)受高壓，對(duì)電氣及磁場噪聲也有較高抑制能力。光耦合器常用于工業(yè)化數(shù)字I/O產(chǎn)品，如NI PXI-6514隔離數(shù)字I/O模塊（圖10）及NI PCI-7390工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制器。

圖10.使用光耦合器的工業(yè)化數(shù)字I/O產(chǎn)品

對(duì)于高速模擬測量，光耦合器存在速度及功率耗散的問題，光電耦合中也受到LED磨損的限制。相比光耦合器，基于電容及電感的數(shù)字隔離器所受限制更少些。

電容隔離

德州儀器提供基于電容耦合的數(shù)字隔離器件。這種隔離器具有高數(shù)據(jù)傳輸率及瞬態(tài)抑制能力。相比于電容及光電隔離，電感隔離的功率消耗更低。

電感隔離

Analog Devices的iCoupler技術(shù)開發(fā)于2001年(analog.com/iCoupler)，它通過電感耦合原理實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離，適用于高速及高通道數(shù)應(yīng)用。iCoupler設(shè)備能夠在16位模擬測量系統(tǒng)上提供100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率，2,500 V電壓隔離，這意味著采樣率可達(dá)到兆級(jí)。不同于光耦合器，iCoupler設(shè)備具有更低的功率消耗、高達(dá)125 °C的工作溫度范圍、及25 kV/ms的瞬態(tài)電壓抑制能力。

iCoupler技術(shù)基于小型的芯片級(jí)變壓器。一款iCoupler設(shè)備包括三個(gè)主要部分：發(fā)送器、變壓器及接收器。發(fā)送器電路采用邊沿觸發(fā)編碼器，將上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為1ns的脈沖。脈沖由變壓器傳輸通過隔離阻障，并在接收電路端解碼，如圖11所示。約0.3毫米的小型變壓器幾乎不受外部磁場影響。iCoupler設(shè)備在每片集成電路(IC)上集成了4條隔離通道，從而降低了測量硬件的成本。與光耦合器相比，所需的外部器件更少。

圖11. Analog Devices公司基于電感耦合的iCoupler技術(shù)

測量硬件供應(yīng)商能通過iCoupler設(shè)備提供低成本的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。美國國家儀器公司用于高速測量的工業(yè)化數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，如工業(yè)化M系列多功能DAQ設(shè)備，采用了iCoupler數(shù)字隔離器，如圖12。此款設(shè)備提供60 VDC連續(xù)隔離，在多條模擬、數(shù)字通道上長達(dá)5s的1,400 Vrms/1,900 VDC通道-總線隔離，且采樣率高達(dá)250 kS/s。NI PAC平臺(tái)、NI CompactRIO、NI CompactDAQ及其它高速NI USB設(shè)備中的C系列模塊都采用了iCoupler技術(shù)。

圖12.使用數(shù)字隔離器的工業(yè)化NI M系列多功能DAQ

5. 總結(jié)

隔離型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在含有危險(xiǎn)電壓、瞬態(tài)電壓等嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境下提供可靠的測量。測量應(yīng)用場合及周圍環(huán)境決定了是否需要使用隔離。如果在應(yīng)用中要求使用單獨(dú)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與各類專用傳感器連接，則選擇可以進(jìn)行外部信號(hào)調(diào)理的模擬隔離；相反，如果追求低成本、高性能的模擬輸入，則選擇采用數(shù)字隔離技術(shù)的測量系統(tǒng)。