用于可靠工業測量的隔離技術

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，這些應用所處的環境具有危 險的電壓、瞬態信號、共模電壓和地電位波動，這會使測量系統受損并破壞測量的精度。為應對這些挑戰，專為工業應用所設計的測量系統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技術的技術內容。

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的低壓背板相分離。隔離提供了許多優勢，其中包括：

? 保護昂貴設備、用戶生命以及數據免遭瞬態電壓威脅

? 改善抗干擾度

? 去除接地回路現象

? 提高共模電壓抑制能力

經隔離處理的測量系統為模擬前端和系統背板分別提供接地面，以使傳感器測量與系統其他部分相分離。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都有必要考慮使用隔離技術：

? 緊鄰危險電壓

? 可能存在瞬態電壓的工業環境

? 存在共模電壓或接地電勢波動的環境

? 電氣噪聲環境，如存在工業馬達的環境

? 必須防止電壓尖脈沖傳輸通過測量系統的對瞬態電壓敏感的應用

共模電壓、瞬態高電壓和電氣噪聲較為常見的應用在工業控制、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境下提供可靠的測量。對于與病人直接接觸的醫療設備，隔離有助于防止電源線路的瞬態電流傳輸通過該設備。

根據您對電壓和數據的要求，您可從數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PC、 PXI、平板PC和CompactPCI的插入式板卡，并可以選擇內置隔離或外部信號調理。您還可以利用面向USB的可編程自動化控制器（PAC）和測量 系統進行隔離測量。

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圖2 具有隔離功能的數據采集系統

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隔離的實現方法

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的常見可用組件。這些設備所依據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，利用光作為數據轉換的方法實現信號的跨隔離層傳輸。一個光電檢測器接收該LED所發出的光，并將其再轉換回最初的信號。

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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據傳輸速率，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據傳輸電場的使用， 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?奧斯特發現，電流通過線圈時會產生磁場。后來人們發現，緊挨一個線圈所產生變化磁場 的另一個線圈中會產生感應電流。第二只線圈中所產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 于數據傳輸的磁場的使用，因此它易受到外部磁場的干擾。

模擬隔離技術與數字隔離技術

現今，許多商業現成可用（COTS）組件都含有上述隔離實現技術之一。對于模擬I/O通道，您可以在模數轉換器（ADC）完成信號的量化處理之前 （模擬隔離）或之后（數字隔離）在設備的模擬部分實現隔離功能。根據您的隔離實現在電路中位置的不同，您需要依據其中的一種技術來設計不同的電路。您可以基于您的數據采集系統性能、成本和物理需求，選擇模擬或數字隔離技術。圖6a和6b展示了實現隔離功能的不同階段。

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圖6b 數字隔離技術

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下列章節覆蓋了模擬隔離技術與數字隔離技術的更多細節，并闡述了實現這兩者的不同技術

模擬隔離技術

隔離放大器一般用于在數據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轉換電路。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， 或將其轉換為變化的光強。對于電容耦合方法和感應耦合方法，您需要將該信號轉換為變化的電場或磁場。然后，解調器電路讀入隔離電路的輸出，并將其轉化回最 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，因此設計配合現有的非隔離數據采集設備需要使用的外部信號調理電路時，可以 作為最佳方案。在這種情況下，該數據采集設備執行模數轉換，而外部的電路提供隔離功能。利用該數據采集設備和外部信號調理電路的組合，測量系統的供應商就 可以開發通用數據采集設備和面向特定傳感器的信號調理方式。圖8展示了采用隔離放大器的靈活信號調理電路實現的模擬隔離功能。在模擬前端實現隔離功能的另 一個優勢在于保護ADC和其他模擬電路免遭電壓尖峰的威脅。

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圖8 在靈活的信號調理硬件中使用隔離放大器

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對于采用通用數據采集設備和外部信號調理硬件的測量產品，市場上有數種配置可供選擇。例如，NI M系列包含多款提供高性能模擬I/O和數字I/O的非隔離式通用多功能數據采集設備。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理 電路，如NI公司的SCXI模塊或SCC模塊。這些信號調理平臺提供了您為了實現與載荷測量計、應變計以及pH傳感器等工業傳感器直接連接所需的隔離功能 和專用信號調理功能。

數字隔離

ADC是任何模擬輸入數據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-位模數轉換器的價格下降曲線

與隔離放大器相比，數字隔離組件具有更低的成本并提供更高的數據傳輸速率。數字隔離技術也提供給模擬設計人員在選擇組件 并開發面向測量設備的最優模擬前端時能夠有更高的靈活性。具有數字隔離功能的產品利用限流電路和限壓電路提供ADC保護。數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了各自的隔離技術。安華高科技提供 了基于光耦合的數字隔離功能。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字隔離裝置，是最古老也是最常用的數字隔離方法之一。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數字I/O產品中，如NI PXI-6514隔離式數字I/O模塊（如圖10所示）和NI PCI-7390工業運動控制器。

Industrial Digital I/O工業數字I/O、Optpcouplers光耦合器、 Digital Input數字輸入、Digital Output數字輸出

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圖10 工業數字I/O產品使用光耦合器

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字隔離組件。這些隔離裝置提供了高數據傳輸速率和瞬態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、高通道數應用提供了數字隔離功能。iCoupler設備可以為一個采樣率達到兆赫茲范圍的16-位模擬測量系統在耐2500 V隔離下提供100 Mb/s的數據傳輸速率。與光耦合器不同，iCoupler設備提供了其他的技術優勢，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——一個發射器、變壓器 和一個接收器。發射器電路利用邊緣觸發器編碼，并將數字線路上的上升沿和下降沿轉換為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毫米的十分之三大小）使得它們幾 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據采集系統。面向高速測量應用的NI工業數據采集（DAQ）設備，如工業M系列多功能DAQ設備，采用了如圖12所示的 iCoupler數字隔離裝置。這些設備在模擬通道和數字通道上提供60 VDC的連續隔離和長達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NI Ｍ系列多功能DAQ采用數字隔離裝置

總結

帶隔離的數據采集系統可以在有危險電壓和瞬態信號存在的惡劣環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 用及其周圍環境的。那些需要利用單個通用數據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字隔離技術的測量系統。