用于可靠工业测量的隔离技术及不同方式的实现

电压、电流、温度、压力、应力及流量等测量是工业及过程控制应用中的重要组成部分。此类应用环境常会涉及危险级电压、瞬态信号、共模电压及不稳定地电位，可能会损坏测量系统，降低测量精度。为了克服以上缺陷，工业应用中的测量系统设计会加入电气隔离。本白皮书集中讨论模拟测量中的隔离，解答隔离应用中的常见问题，还将涉及不同隔离方式的技术实现。

理解隔离

电气意义上的隔离是将暴露于危险电压1的传感器信号与测试系统的低压背板隔开。隔离能够提供许多优势，包括：

保护昂贵设备、用户及数据不受瞬态电压的危及。

改善噪声抑制能力

消除接地环路

提高共模电压抑制

隔离型测量系统为模拟前端和系统底板提供分离的接地面，将传感器的测量与系统的其它部分隔离开。隔离前端的接地是悬空的引脚，可工作于大地接地以外的电压。图1为模拟电压测量设备。传感器地与测试系统地之间的任何共模电压都能被抑制，从而避免了接地环路的引起和噪声对传感器线路造成影响。

图1. 组隔离的模拟输入电路





1危险电压为大于30 Vrms, 42.4 Vpk,或60 VDC的电压。

对隔离的需求

以下的测量系统需要考虑隔离：

与危险电压邻接

可能产生瞬态电压的工业环境

存在共模电压或不稳定地电位的环境

电气噪声环境，如存在工业电机

瞬态敏感的应用，必须避免在测量系统中出现电压尖峰

工业测量、过程控制、及自动化测试是存在共模电压、高瞬态电压、及电气噪声的典型应用。具有隔离的测量设备能够在严酷环境下提供可靠的测量。针对与患者直接接触的医疗设备，隔离能够有效避免设备中瞬态功率的传输。

根据用户对电压及数据率的要求，隔离测量可以有多种选择。用户可选择用于笔记本、桌面PC、工业PC、PXI、平板PC、及CompactPCI的插入式板，它具有内置隔离或外置信号调理。用户也可通过可编程自动控制器(PACs)及USB测量系统来实现隔离测量。





图2.隔离型数据采集系统

   



实现隔离的方法

隔离要求信号通过隔离阻障传输，不能有直接电气连接。常用的非接触式信号传输器件有发光二极管(LED)、电容、电感等。此类器件的基本原理即是最常见的三种隔离技术：光电、电容、及电感耦合。

光电隔离

LED能在通电时发光。光电隔离利用LED与光电探测设备实现隔离阻障，通过光来传输信号。光电探测设备接受LED发出的光信号，再将其转换成原始电信号。





图3. 光电隔离

光电隔离是最常用的隔离方法。使用光电隔离的优势是能够避免电气与磁场噪声。而缺点则是传输速度受限于LED的转换速度、高功率散射及LED磨损。

电容隔离

电容隔离是基于电荷聚集于电容板而产生的电势变化。该变化从隔离阻障中测量得到，它与测量信号大小成比例。





图4. 电容隔离

电容隔离的优点是能够抑制电磁干扰。因为电容隔离不像光电隔离需要LED转换，所以能支持更快的数据传输率。但由于电容耦合利用电势来传输数据，因此容易受到外部电场的干扰。

电感耦合隔离

19世纪早期，丹麦物理学家Hans Oersted发现当电流通过线圈时会产生磁场。之后又发现，能在靠近产生变化磁场线圈的另一个线圈上获得感应电流。另一个线圈上感应的电压及电流大小取决于第一个线圈上的交变电流。该现象被称为互感，它就是电感耦合的基本原理。





图5. 电感耦合

电感耦合使用一对具有绝缘层的线圈。绝缘层隔离了物理信号的传输。一端线圈上的变化电流会在绝缘阻障另一端的线圈上感应类似的电流，信号就通过这种方式传播。电感隔离提供与电容技术类似的高速传输。但由于电感耦合传输信号要涉及磁场，所以容易受到外部磁场干扰。

   



模拟隔离与数字隔离

现在，许多商用现货器件集成了以上某项技术来实现隔离。对于模拟I/O通道，隔离可在模数转换器(ADC)数字化信号前的模拟部分实现（模拟隔离），也可在ADC数字化信号后实现（数字隔离）。根据隔离实现位置的不同，用户需要针对上述三种技术设计不同的电路。用户可以根据数据采集系统的性能、成本及物理需求来决定选择模拟隔离或数字隔离。图6a及图6b显示了在两种隔离的实现。





图6a.模拟隔离





图6b. 数字隔离

以下部分将详细分析模拟隔离及数字隔离，并讨论两者不同的实现技术。

模拟隔离

隔离放大器是数据采集设备中模拟前端的常用隔离器件。图6a的“ISO Amp”即为隔离放大器，在多数电路中都是模拟电路部分的首个器件。传感器的模拟信号首先通过隔离放大器，实现隔离后再将其送入模数转换电路。图7为隔离放大器的常见布局。





图7. 隔离放大器

   



在理想的隔离放大器中，模拟输出信号应该与模拟输入信号一致。图7中标有“隔离”的部分采用了上文讨论的技术（光电、电容、电感耦合），使信号通过隔离阻障。模块化电路已为信号提供了隔离电路。对于光电方式，需要将信号数字化或转换为不同的光强度。对于电容及电感方式，需要将信号转换为不同的电场或磁场。解调电路读取隔离电路的输出，并将其转换回原始模拟信号。

由于模拟隔离位于信号数字化之前，对于已有的无隔离数据采集设备，采用外部信号调理是最佳方案。此时，由数据采集设备来完成模数转换，而由外部电路提供隔离。结合数据采集设备与外部信号调理，测量系统供应商能开发出多用途的数据采集设备及传感器专用信号调理。图8中采用隔离放大器设计灵活的信号调理，实现模拟隔离。将隔离置于模拟前端的另一个优点是能够保护ADC及其它模拟电路免受电压尖峰影响。





图8.隔离放大器用于灵活的信号调理硬件

市面上有多款使用通用数据采集设备与外部信号调理的测量产品，如NI M系列的几款非隔离型通用多用途数据采集设备，可提供高性能的模拟I/O及数字I/O。对于需要隔离的应用，您可以选用带外部信号调理的M系列设备，如美国国家仪器公司的SCXI或SCC模块。这些信号调理平台提供隔离及专用信号调理功能，可直接与负载单元、应力规、pH传感器等工业传感器连接。

数字隔离

ADC是模拟输入数据采集设备的关键器件之一。为了获得最佳的性能，ADC的输入信号应尽量与原始模拟信号一致。模拟隔离可能在信号传输到ADC的过程中引入增益、非线性、及偏移等误差。ADC离信号源越近，性能就越好。由于模拟隔离器件价格昂贵且调整时间长，在过去，尽管数字隔离性能更好，但是为了保护昂贵的ADC，不得不选择模拟隔离。随着ADC价格不断降低，测量设备的供应商正从对ADC的保护转而追求数字隔离器以实现更好的性能及更低的成本，如图9所示。





图9. 16位模数转换器价格不断降低

图片来源：美国国家仪器公司和ADC主要供应商

   



与隔离放大器相比，数字隔离器件成本更低，数据传输速率更高。数字隔离技术也在模拟电路工程师选择器件及开发测量设备的光电模拟前端过程中，提供了更大的灵活性。具有数字隔离的产品使用限流及限压保护电路来对ADC提供保护。数字隔离器件的基本原理与模拟隔离中光电、电容及电感耦合的原理相似。

主要的数字隔离器件供应商，如安华高科技(www.avagotech.com)、德州仪器(www.ti.com)、及Analog Devices (www.analog.com)等公司都基于以上基本原理开发了各自的隔离技术。安华高科技公司提供基于光电耦合的数字隔离器；德州仪器的隔离器基于电容耦合原理；Analog Devices公司的隔离器采用电感耦合方式。

光耦合器

光耦合器是基于光电耦合原理的数字耦合器，它使用时间最长，也是最常见的数字隔离方式。它能经受高压，对电气及磁场噪声也有较高抑制能力。光耦合器常用于工业化数字I/O产品，如NI PXI-6514隔离数字I/O模块（图10）及NI PCI-7390工业运动控制器。





图10. 使用光耦合器的工业化数字I/O产品

对于高速模拟测量，光耦合器存在速度及功率耗散的问题，光电耦合中也受到LED磨损的限制。相比光耦合器，基于电容及电感的数字隔离器所受限制更少些。

电容隔离

德州仪器提供基于电容耦合的数字隔离器件。这种隔离器具有高数据传输率及瞬态抑制能力。相比于电容及光电隔离，电感隔离的功率消耗更低。

电感隔离

Analog Devices的iCoupler技术开发于2001年(analog.com/iCoupler)，它通过电感耦合原理实现数字隔离，适用于高速及高通道数应用。iCoupler设备能够在16位模拟测量系统上提供100 Mb/s数据传输率，2,500 V电压隔离，这意味着采样率可达到兆级。不同于光耦合器，iCoupler设备具有更低的功率消耗、高达125 °C的工作温度范围、及25 kV/ms的瞬态电压抑制能力。

iCoupler技术基于小型的芯片级变压器。一款iCoupler设备包括三个主要部分：发送器、变压器及接收器。发送器电路采用边沿触发编码器，将上升沿和下降沿转换为1ns的脉冲。脉冲由变压器传输通过隔离阻障，并在接收电路端解码，如图11所示。约0.3毫米的小型变压器几乎不受外部磁场影响。iCoupler设备在每片集成电路(IC)上集成了4条隔离通道，从而降低了测量硬件的成本。与光耦合器相比，所需的外部器件更少。





图11. Analog Devices公司基于电感耦合的iCoupler技术

来源: Analog Devices公司 (analog.com/iCoupler)

   



测量硬件供应商能通过iCoupler设备提供低成本的高性能数据采集系统。美国国家仪器公司用于高速测量的工业化数据采集(DAQ)设备，如工业化M系列多功能DAQ设备，采用了iCoupler数字隔离器，如图12。此款设备提供60 VDC连续隔离，在多条模拟、数字通道上长达5s的1,400 Vrms/1,900 VDC通道-总线隔离，且采样率高达250 kS/s。NI PAC平台、NI CompactRIO、NI CompactDAQ及其它高速NI USB设备中的C系列模块都采用了iCoupler技术。





图12. 使用数字隔离器的工业化NI M系列多功能DAQ

总结

隔离型数据采集系统能在含有危险电压、瞬态电压等严酷的工业环境下提供可靠的测量。测量应用场合及周围环境决定了是否需要使用隔离。如果在应用中要求使用单独的通用数据采集系统与各类专用传感器连接，则选择可以进行外部信号调理的模拟隔离；相反，如果追求低成本、高性能的模拟输入，则选择采用数字隔离技术的测量系统。