用于工业测量的隔离方法

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