隔离技术应用于可靠性工业测量

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。

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

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

5. 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。