用于可靠工业测量的隔离技术

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概述
电压、电流、温度、压力、应变和流速的测试是工业控制与过程控制应用不可或缺的一部分。通常，这些应用所处的环境具有危险的电压、瞬态信号、共模电压和地电位波动，这会使测量系统受损并破坏测量的精度。为应对这些挑战，专为工业应用所设计的测量系统采用了电气隔离技术。本白皮书聚焦于用于模拟测量的隔离技术，解答了常见的隔离问题，并涵盖了关于不同的隔离实现技术的技术内容。
理解隔离技术
电气隔离使可能会暴露在危险电压下的传感器信号与测量系统的低压背板相分离。隔离提供了许多优势，其中包括：
保护昂贵设备、用户生命以及数据免遭瞬态电压威胁 改善抗干扰度 去除接地回路现象 提高共模电压抑制能力
经隔离处理的测量系统为模拟前端和系统背板分别提供接地面，以使传感器测量与系统其他部分相分离。该隔离前端的接地连接是一个可以工作于与大地不同电势的浮动管脚。图1展示了一个模拟电压测量设备。存在于传感器地和测量系统地之间的任何共模电压都会受到抑制。这样可以防止接地环路的形成，并剔除传感器线路上的任何噪声。


图1. 通道隔离的模拟输入电路
隔离的必要性
涉及以下任一种情形的测量系统都有必要考虑使用隔离技术：
紧邻危险电压 可能存在瞬态电压的工业环境 存在共模电压或接地电势波动的环境 电气噪声环境，如存在工业马达的环境 必须防止电压尖脉冲传输通过测量系统的对瞬态电压敏感的应用
共模电压、瞬态高电压和电气噪声较为常见的应用在工业控制、过程控制和汽车测试等。带有隔离功能的测量设备可以在这些恶劣的环境下提供可靠的测量。对于与病人直接接触的医疗设备，隔离有助于防止电源线路的瞬态电流传输通过该设备。
根据您对电压和数据的要求，您可从数种隔离测量的方法中进行选择。您可以采用面向便携机、台式机PC、工业PC、 PXI、平板PC和CompactPCI的插入式板卡，并可以选择内置隔离或外部信号调理。您还可以利用面向USB的可编程自动化控制器（PAC）和测量系统进行隔离测量。


图2 具有隔离功能的数据采集系统
隔离的实现方法
隔离技术要求信号在被传输通过隔离层时不能存在任何的直接电气接触。发光二极管（LED）、电容和电感是三种支持非直接接触式电气信号传输的常见可用组件。这些设备所依据的原理是三种最常见的隔离技术的核心——光耦合、电容耦合和感应耦合。
光学隔离技术
当两端加上电压时，LED就会发光。光学隔离技术采用了一个LED以及一个光电检测设备，利用光作为数据转换的方法实现信号的跨隔离层传输。一个光电检测器接收该LED所发出的光，并将其再转换回最初的信号。


图3 光学隔离技术
光电二极管
光学隔离技术是最常使用的隔离方法之一。采用光学隔离的优势之一便是其 抵抗电气噪声和磁噪声干扰的能力。这种技术的也存在一些不足之处，包括受LED开关速率限制的传输速率、高功耗和LED损耗。

电容隔离技术
电容隔离技术基于一个随电容极板上的电荷量而改变的电场。该电荷跨过一个隔离层而被检测，并与所测得信号值成正比。


图4 电容隔离技术
电容隔离技术的一个优势是其抵抗磁噪声干扰的能力。与光学隔离技术相比，电容隔离可以支持更高的数据传输速率，因为LED不需要进行开关操作。由于电容隔离技术涉及到用于数据传输电场的使用， 因此它易受到外部电场的干扰。
感应耦合隔离技术
在十九世纪早期，丹麦物理学家汉斯•奥斯特发现，电流通过线圈时会产生磁场。后来人们发现，紧挨一个线圈所产生变化磁场的另一个线圈中会产生感应电流。第二只线圈中所产生的感应电压和感应电流取决于第一个线圈中电流变化的速率。这一原理被称为互感，并奠定了感应隔离技术的基础。


图5 感应耦合
感应隔离技术使用了一对通过一个绝缘层分离的线圈。该绝缘层防止任何物理信号的传输。信号可以通过改变流经其中一个线圈的电流进行传输，因为这样会使跨过该绝缘层在第二个线圈中产生类似的感应电流。感应隔离技术可以提供与电容技术相似的高速传输。但是由于感应耦合涉及到用于数据传输的磁场的使用，因此它易受到外部磁场的干扰。
模拟隔离技术与数字隔离技术
现今，许多商业现成可用（COTS）组件都含有上述隔离实现技术之一。对于模拟I/O通道，您可以在模数转换器（ADC）完成信号的量化处理之前 （模拟隔离）或之后（数字隔离）在设备的模拟部分实现隔离功能。根据您的隔离实现在电路中位置的不同，您需要依据其中的一种技术来设计不同的电路。您可以基于您的数据采集系统性能、成本和物理需求，选择模拟或数字隔离技术。图6a和6b展示了实现隔离功能的不同阶段。



图6a 模拟隔离技术


图6b 数字隔离技术
下列章节覆盖了模拟隔离技术与数字隔离技术的更多细节，并阐述了实现这两者的不同技术
模拟隔离技术
隔离放大器一般用于在数据采集设备的模拟前端中提供隔离功能。图6a中的“隔离放大器”表示一个隔离放大器，在大多数电路中，它是模拟电路的前件之一。来自传感器的模拟信号被传递至隔离放大器，该放大器提供隔离功能并将信号传递至模数转换电路。图7表示了一个隔离放大器。


图7 隔离放大器

在一个理想的隔离放大器中，其模拟输出信号与模拟输入信号完全相同。图7中标记为“隔离”的部分采用了之前章节中讨论的 技术（光耦合、电容耦合或感应耦合）之一，以跨过隔离层传递信号。调制器电路为隔离电路对信号进行预处理。对于光学耦合方法，您需要对该信号作量化处理，或将其转换为变化的光强。对于电容耦合方法和感应耦合方法，您需要将该信号转换为变化的电场或磁场。然后，解调器电路读入隔离电路的输出，并将其转化回最初的模拟信号。
由于您在信号被量化处理之前进行了模拟隔离，因此设计配合现有的非隔离数据采集设备需要使用的外部信号调理电路时，可以作为最佳方案。在这种情况下，该数据采集设备执行模数转换，而外部的电路提供隔离功能。利用该数据采集设备和外部信号调理电路的组合，测量系统的供应商就可以开发通用数据采集设备和面向特定传感器的信号调理方式。图8展示了采用隔离放大器的灵活信号调理电路实现的模拟隔离功能。在模拟前端实现隔离功能的另一个优势在于保护ADC和其他模拟电路免遭电压尖峰的威胁。


图8 在灵活的信号调理硬件中使用隔离放大器
对于采用通用数据采集设备和外部信号调理硬件的测量产品，市场上有数种配置可供选择。例如，NI M系列包含多款提供高性能模拟I/O和数字I/O的非隔离式通用多功能数据采集设备。对于需要隔离功能的应用，您可以使用M系列设备及配套的外部信号调理 电路，如NI公司的SCXI模块或SCC模块。这些信号调理平台提供了您为了实现与载荷测量计、应变计以及pH传感器等工业传感器直接连接所需的隔离功能 和专用信号调理功能。
数字隔离
ADC是任何模拟输入数据采集设备的关键组件之一。为了获得最佳性能，ADC的输入信号应当尽可能接近原始的模拟信号。 模拟隔离可能会在信号到达ADC之前导致包括增益、非线性和偏偏移量等误差。将ADC放置在更为接近信号源的位置可以获得更好的性能。同时，模拟隔离组件价格较高，而且可能存在建立时间过长的缺点。尽管数字隔离可以获得更好的性能，但是，在过去使用模拟隔离的原因之一却是为昂贵的ADC提供保护。由于 ADC的价格已经大幅下降，测量设备的供应商们正在选择通过对ADC的保护来换取数字隔离装置所提供的更好性能和更低成本，如图9所示。


图9 16-位模数转换器的价格下降曲线
与隔离放大器相比，数字隔离组件具有更低的成本并提供更高的数据传输速率。数字隔离技术也提供给模拟设计人员在选择组件并开发面向测量设备的最优模拟前端时能够有更高的灵活性。具有数字隔离功能的产品利用限流电路和限压电路提供ADC保护。数字隔离组件遵循与光耦合、电容 耦合和感应耦合相同的基本原理，这也是模拟隔离技术的构成基础。
在数字隔离组件领域领先的供应商，如安华高科技（www.avagotech.com）、 德州仪器（www.ti.com）和Analog（www.analog.com）等公司，已围绕这些基本原理其中开发了各自的隔离技术。安华高科技提供了基于光耦合的数字隔离功能。德州仪器的隔离装置则基于电容耦合，而模拟设备公司的隔离装置采用感应耦合。
光耦合器
光耦合器，即基于光耦合原理的数字隔离装置，是最古老也是最常用的数字隔离方法之一。它们可耐高压并提供对电气噪声和磁噪声的高抗干扰能力。光耦合器常用于工业数字I/O产品中，如NI PXI-6514隔离式数字I/O模块（如图10所示）和NI PCI-7390工业运动控制器。
Industrial Digital I/O工业数字I/O、Optpcouplers光耦合器、 Digital Input数字输入、Digital Output数字输出


图10 工业数字I/O产品使用光耦合器
然而，对于高速模拟测量，光耦合器易受到速率、功耗和LED损耗等与光耦合相关的限制的影响。而基于电容耦合和感应耦合的数字隔离装置可以缓解许多光耦合器的限制。
电容隔离技术
德州仪器提供了基于电容耦合的数字隔离组件。这些隔离装置提供了高数据传输速率和瞬态信号的高抗干扰能力。与电容隔离方法和光学隔离方法相比，感应隔离消耗的功率更低。
感应隔离技术
由Analog公司在2001年引入的iCoupler技术（analog.com/iCoupler），利用感应耦合 为高速率、高通道数应用提供了数字隔离功能。iCoupler设备可以为一个采样率达到兆赫兹范围的16-位模拟测量系统在耐2500 V隔离下提供100 Mb/s的数据传输速率。与光耦合器不同，iCoupler设备提供了其他的技术优势，如功耗降低、高达125℃的高工作温度范围和高达25 kV/ms的瞬态信号高抗干扰能力。
iCoupler技术基于小尺寸的、芯片大小的变压器。一个iCoupler由三个主要部分组成——一个发射器、变压器和一个接收器。发射器电路利用边缘触发器编码，并将数字线路上的上升沿和下降沿转换为1 ns的脉冲。这些脉冲利用变压器跨隔离层传输，并在另一侧通过接收器电路解码，如图11所示。这些变压器的小尺寸（约为1毫米的十分之三大小）使得它们几乎不受外部磁噪声干扰。iCoupler设备还可以通过在每个集成电路（IC）上集成高达四路隔离式通道，降低测量硬件的成本，而且，与光耦合器相比，它 们所需的外部组件更少。


图11。来自Analog公司的基于感应耦合的iCoupler技术
来源：模拟设备公司（analog.com/iCoupler）
测量硬件供应商们正使用由iCoupler 设备提供低成本高性能的数据采集系统。面向高速测量应用的NI工业数据采集（DAQ）设备，如工业M系列多功能DAQ设备，采用了如图12所示的 iCoupler数字隔离装置。这些设备在模拟通道和数字通道上提供60 VDC的连续隔离和长达5秒的1,400 Vrms/1,900 VDC通道与总线间隔离承受，并支持高达250 kS/s的采样率。用于NI PAC平台、NI CompactRIO、NI CompactDAQ以及其他高速NI USB设备的NI C系列模块也采用了iCoupler技术。

总结
带隔离的数据采集系统可以在有危险电压和瞬态信号存在的恶劣环境下保证其可靠测量。您对于隔离功能的需求取决于的测量应用及其周围环境的。那些需要利用单个通用数据采集设备与不同特性的传感器相连的应用，可以得益于具有模拟隔离功能的外部信号调理电路；然而，低成本、高性能模拟输入的应用则可得益于具有数字隔离技术的测量系统。