電壓、電流、溫度、壓力、應(yīng)力及流量等測(cè)量是工業(yè)及過(guò)程控制應(yīng)用中的重要組成部分。此類應(yīng)用環(huán)境常會(huì)涉及危險(xiǎn)級(jí)電壓、瞬態(tài)信號(hào)、共模電壓及不穩(wěn)定地電位，可能會(huì)損壞測(cè)量系統(tǒng)，降低測(cè)量。為了克服以上缺陷，工業(yè)應(yīng)用中的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)加入電氣隔離。

　　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(cè)試系統(tǒng)的低壓背板隔開。隔離能夠提供許多優(yōu)勢(shì)，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(cè)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(cè)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(cè)量設(shè)備。傳感器地與測(cè)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。

　　對(duì)隔離的需求

　　以下的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓尖峰

　　工業(yè)測(cè)量、過(guò)程控制、及自動(dòng)化測(cè)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(cè)量設(shè)備能夠在嚴(yán)酷環(huán)境下提供可靠的測(cè)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(cè)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(guò)可編程自動(dòng)控制器（PACs）及USB測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離測(cè)量。

　　圖2.隔離型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　實(shí)現(xiàn)隔離的方法

　　隔離要求信號(hào)通過(guò)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常見(jiàn)的三種隔離技術(shù)：光電、電容、及電感耦合。

　　光電隔離

　　光學(xué)隔離技術(shù)是一種只允許單向光通過(guò)的無(wú)源光器件，其工作原理是基于法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性。 通過(guò)光纖回波反射的光能夠被光隔離器很好的隔離。光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。當(dāng)兩端加上電壓時(shí)，LED就會(huì)發(fā)光。光學(xué)隔離技術(shù)采用了一個(gè)LED以及一個(gè)光電檢測(cè)設(shè)備，利用光作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跨隔離層傳輸。一個(gè)光電檢測(cè)器接收該LED所發(fā)出的光，并將其再轉(zhuǎn)換回初的信號(hào)。

　　圖3. 光電隔離

　　光學(xué)隔離技術(shù)

　　光電隔離是常用的隔離方法。使用光電隔離的優(yōu)勢(shì)是能夠避免電氣與磁場(chǎng)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(shì)變化。該變化從隔離阻障中測(cè)量得到，它與測(cè)量信號(hào)大小成比例。

　　圖4. 電容隔離

　　電容隔離技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其抵抗磁噪聲干擾的能力。與光學(xué)隔離技術(shù)相比，電容隔離可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因?yàn)長(zhǎng)ED不需要進(jìn)行開關(guān)操作。由于電容隔離技術(shù)涉及到用于數(shù)據(jù)傳輸電場(chǎng)的使用， 因此它易受到外部電場(chǎng)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(guò)線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。之后又發(fā)現(xiàn)，能在靠近產(chǎn)生變化磁場(chǎng)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(guò)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(chǎng)，所以容易受到外部磁場(chǎng)干擾。

　　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(lái)實(shí)現(xiàn)隔離。對(duì)于傳感器的信號(hào)隔離，傳統(tǒng)的模擬隔離方案（如隔離放大器AD202）成本太高，可以采用數(shù)字隔離方案：AMP→ ADC → 數(shù)字隔離器 → MCU，這樣不僅降低了成本，而且也可以更好的實(shí)現(xiàn)隔離效果。數(shù)字隔離器用來(lái)將系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的ADC、DAC和信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字端的微處理器隔離開來(lái)。其中，需要隔離型DC-DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器的信號(hào)線和電源線與ADC/DAC的信號(hào)和電源的相互隔離。隔離器件可選用ADI的ADuM1411或TI的ISO72XX系列數(shù)字隔離器。但都需要外加DC-DC隔離電源來(lái)實(shí)現(xiàn)電源隔離。（圖6a.模擬隔離）（圖6b. 數(shù)字隔離）

　　圖6b. 數(shù)字隔離

　　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

　隔離放大器用于防止數(shù)據(jù)采集器件遭受遠(yuǎn)程傳感器出現(xiàn)的潛在破壞性電壓的影響。這些放大器還用于在多通道應(yīng)用中放大低電平信號(hào)。它們也可以消除由接地環(huán)路引起的測(cè)量誤差。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器件。傳感器的模擬信號(hào)首先通過(guò)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(jiàn)布局。

　　圖7. 隔離放大器

　在理想的隔離放大器中，隔離放大器的4項(xiàng)基本作用是：隔離、放大、轉(zhuǎn)換及濾波，所以它可以濾除高頻干擾，而不是連干擾信號(hào)一起放大。一般會(huì)有截止頻率共客戶選擇，該頻率以上的高頻干擾均可濾除。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(guò)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(chǎng)或磁場(chǎng)，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(wú)隔離數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采用外部信號(hào)調(diào)理是方案。此時(shí)，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)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(cè)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(cè)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(guó)國(guó)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

　　數(shù)字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設(shè)備中，尤其是一些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)的傳輸。數(shù)字隔離器件的生產(chǎn)商很多，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛的應(yīng)用。依照數(shù)字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結(jié)構(gòu)和傳輸原理，數(shù)字隔離電路主要分為光電隔離、電磁隔離以及電容隔離技術(shù)的數(shù)字隔離器件。

　　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(guò)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。在過(guò)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(cè)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

　　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(cè)量設(shè)備的光電模擬前端過(guò)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(lái)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。

　　主要的數(shù)字隔離器件供應(yīng)商，如安華高科技（www.avagotech.com）、德州儀器（www.ti.com）、及Analog Devices （www.analog.com）等公司都基于以上基本原理開發(fā)了各自的隔離技術(shù)。德州儀器的隔離器基于電容耦合原理；安華高科技公司提供基于光電耦合的數(shù)字隔離器；Analog Devices公司的隔離器采用電感耦合方式。

　　光耦合器

　　光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類多、用途廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。

　　光耦合器是基于光電耦合原理的數(shù)字耦合器，也是常見(jiàn)的數(shù)字隔離方式。它能經(jīng)受高壓，對(duì)電氣及磁場(chǎng)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(cè)量，光耦合器存在速度及功率耗散的問(wèn)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

　　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。相比其他隔離器技術(shù)，電容隔離器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其 DC-通道在上電和信號(hào)丟失 （LOS） 事件期間隔離器輸出端擁有正確的輸入極性。缺少這些特性的其他隔離器技術(shù)通常會(huì)在上電期間出現(xiàn)輸出突波，或者在信號(hào)丟失以前一直保持在一個(gè)輸入極性。 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(guò)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(cè)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)是以iCoupler磁隔離技術(shù)是穿越隔離阻障發(fā)射與接收信號(hào)的平面變壓器。這些變壓器完全由標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)行集成，變壓器由被聚酰亞胺層分開的兩個(gè)線圈組成，聚酰亞胺層起到隔離阻障的作用?；谛⌒偷男酒?jí)變壓器。iCoupler設(shè)備三部分組成：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。如圖11所示。約0.3毫米的小型變壓器幾乎不受外部磁場(chǎng)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(cè)量硬件的成本。

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

　　測(cè)量硬件供應(yīng)商能通過(guò)iCoupler設(shè)備提供低成本的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)家儀器公司用于高速測(cè)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(zhǎng)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

　　總結(jié)

　　隔離型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通常有兩種解釋：一種是指盤點(diǎn)機(jī)、掌上電腦等終端電腦設(shè)備；另外一種是指網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集用的軟件，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(cè)量。測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)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(cè)量系統(tǒng)。