理解隔離技術

電氣隔離使可能會暴露在危險電壓下的傳感器信號與測量係統的低壓背板相分離。隔離提供了許多優勢，其中包括：

• 保護昂貴設備、用戶生命以及數據免遭瞬態電壓威脅

• 改善抗幹擾度

• 去除接地回路現象

• 提高共模電壓抑製能力

經隔離處理的測量係統為模擬前端和係統背板分別提供接地麵，以使傳感器測量與係統其他部分相分離。該隔離前端的接地連接 是一個可以工作於與大地不同電勢的浮動管腳。圖1展示了一個模擬電壓測量設備。存在於傳感器地和測量係統地之間的任何共模電壓都會受到抑製。這樣可以防止 接地環路的形成，並剔除傳感器線路上的任何噪聲。

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隔離的必要性

涉及以下任一種情形的測量係統都有必要考慮使用隔離技術：

• 緊鄰危險電壓

• 可能存在瞬態電壓的工業環境

• 存在共模電壓或接地電勢波動的環境

• 電氣噪聲環境，如存在工業馬達的環境

• 必須防止電壓尖脈衝傳輸通過測量係統的對瞬態電壓敏感的應用

共模電壓
、瞬態高電壓和電氣噪聲較為常見的應用在工業控製、過guo程cheng控kong製zhi和he汽qi車che測ce試shi等deng。帶dai有you隔ge離li功gong能neng的de測ce量liang設she備bei可ke以yi在zai這zhe些xie惡e劣lie的de環huan境jing下xia提ti供gong可ke靠kao的de測ce量liang。對dui於yu與yu病bing人ren直zhi接jie接jie觸chu的de醫yi療liao設she備bei，隔ge離li有you助zhu於yu防fang止zhi電dian源yuan線xian路lu的de瞬shun態tai電dian流liu傳chuan輸shu通tong過guo該gai設she備bei。

根據您對電壓和數據的要求，您可從數種隔離測量的方法中進行選擇。您可以采用麵向便攜機、台式機PC、工業PC、 PXI、平板PC和CompactPCI的插入式板卡，並可以選擇內置隔離或外部信號調理。您還可以利用麵向USB的可編程自動化控製器（PAC）和測量 係統進行隔離測量。

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隔離的實現方法

隔離技術要求信號在被傳輸通過隔離層時不能存在任何的直接電氣接觸。發光二極管（LED）、電容和電感是三種支持非直接接觸式電氣信號傳輸的常見可用組件。這些設備所依據的原理是三種最常見的隔離技術的核心——光耦合
、電容耦合和感應耦合。

光學隔離技術

當兩端加上電壓時，LED就會發光。光學隔離技術采用了一個LED以及一個光電檢測設備，利用光作為數據轉換的方法實現信號的跨隔離層傳輸。一個光電檢測器接收該LED所發出的光
，並將其再轉換回最初的信號。


光電二極管

光學隔離技術是最常使用的隔離方法之一。采用光學隔離的優勢之一便是其 抵抗電氣噪聲和磁噪聲幹擾的能力。這種技術的也存在一些不足之處
，包括受LED開關速率限製的傳輸速率、高功耗和LED損耗。

電容隔離技術

電容隔離技術基於一個隨電容極板上的電荷量而改變的電場。該電荷跨過一個隔離層而被檢測，並與所測得信號值成正比。


電容隔離技術的一個優勢是其抵抗磁噪聲幹擾的能力。與光學隔離技術相比
，電容隔離可以支持更高的數據傳輸速率，因為LED不需要進行開關操作。由於電容隔離技術涉及到用於數據傳輸電場的使用， 因此它易受到外部電場的幹擾。

感應耦合隔離技術

在十九世紀早期，丹麥物理學家漢斯•奧斯特發現，電流通過線圈時會產生磁場。後來人們發現
，緊挨一個線圈所產生變化磁場 的(de)另(ling)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)中(zhong)會(hui)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)。第(di)二(er)隻(zhi)線(xian)圈(quan)中(zhong)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)和(he)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)取(qu)決(jue)於(yu)第(di)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)中(zhong)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)的(de)速(su)率(lv)。這(zhe)一(yi)原(yuan)理(li)被(bei)稱(cheng)為(wei)互(hu)感(gan)，並(bing)奠(dian)定(ding)了(le)感(gan)應(ying)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)的(de)基(ji)礎(chu)。


感應隔離技術使用了一對通過一個絕緣層分離的線圈。該絕緣層防止任何物理信號的傳輸。信號可以通過改變流經其中一個線圈 的de電dian流liu進jin行xing傳chuan輸shu，因yin為wei這zhe樣yang會hui使shi跨kua過guo該gai絕jue緣yuan層ceng在zai第di二er個ge線xian圈quan中zhong產chan生sheng類lei似si的de感gan應ying電dian流liu。感gan應ying隔ge離li技ji術shu可ke以yi提ti供gong與yu電dian容rong技ji術shu相xiang似si的de高gao速su傳chuan輸shu。但dan是shi由you於yu感gan應ying耦ou合he涉she及ji到dao用yong 於數據傳輸的磁場的使用，因此它易受到外部磁場的幹擾。
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模擬隔離技術與數字隔離技術

現今
，許多商業現成可用（COTS）組件都含有上述隔離實現技術之一。對於模擬I/O通道，您可以在模數轉換器（ADC）完成信號的量化處理之前 （模擬隔離）或之後（數字隔離）在(zai)設(she)備(bei)的(de)模(mo)擬(ni)部(bu)分(fen)實(shi)現(xian)隔(ge)離(li)功(gong)能(neng)。根(gen)據(ju)您(nin)的(de)隔(ge)離(li)實(shi)現(xian)在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)位(wei)置(zhi)的(de)不(bu)同(tong)，您(nin)需(xu)要(yao)依(yi)據(ju)其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)種(zhong)技(ji)術(shu)來(lai)設(she)計(ji)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)路(lu)。您(nin)可(ke)以(yi)基(ji)於(yu)您(nin)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)、成本和物理需求
，選擇模擬或數字隔離技術。圖6a和6b展示了實現隔離功能的不同階段。


下麵講述模擬隔離技術與數字隔離技術的更多細節
，並闡述實現這兩者的不同技術。

模擬隔離技術

隔離放大器一般用於在數據采集設備的模擬前端中提供隔離功能。圖6a中的“隔離放大器”表biao示shi一yi個ge隔ge離li放fang大da器qi，在zai大da多duo數shu電dian路lu中zhong
，它ta是shi模mo擬ni電dian路lu的de前qian件jian之zhi一yi。來lai自zi傳chuan感gan器qi的de模mo擬ni信xin號hao被bei傳chuan遞di至zhi隔ge離li放fang大da器qi
，該gai放fang大da器qi提ti供gong隔ge離li功gong能neng並bing將jiang信xin號hao傳chuan遞di至zhi模mo數shu轉zhuan換huan電dian路lu。圖tu7表示了一個隔離放大器。


在一個理想的隔離放大器中，其模擬輸出信號與模擬輸入信號完全相同。圖7中標記為“隔離”的部分采用了之前章節中討論的 技術（光耦合、電容耦合或感應耦合）之一，以跨過隔離層傳遞信號。調製器電路為隔離電路對信號進行預處理。對於光學耦合方法
，您需要對該信號作量化處理
， 或(huo)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)變(bian)化(hua)的(de)光(guang)強(qiang)。對(dui)於(yu)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)方(fang)法(fa)和(he)感(gan)應(ying)耦(ou)合(he)方(fang)法(fa)
，您(nin)需(xu)要(yao)將(jiang)該(gai)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)變(bian)化(hua)的(de)電(dian)場(chang)或(huo)磁(ci)場(chang)。然(ran)後(hou)，解(jie)調(tiao)器(qi)電(dian)路(lu)讀(du)入(ru)隔(ge)離(li)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)出(chu)，並(bing)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)化(hua)回(hui)最(zui) 初的模擬信號。

由於您在信號被量化處理之前進行了模擬隔離，因此設計配合現有的非隔離數據采集設備需要使用的外部信號調理電路時，可以 zuoweizuijiafangan。zaizhezhongqingkuangxia，gaishujucaijishebeizhixingmoshuzhuanhuan，erwaibudedianlutigonggeligongneng。liyonggaishujucaijishebeihewaibuxinhaotiaolidianludezuhe
，celiangxitongdegongyingshangjiu 可以開發通用數據采集設備和麵向特定傳感器的信號調理方式。圖8展示了采用隔離放大器的靈活信號調理電路實現的模擬隔離功能。在模擬前端實現隔離功能的另 一個優勢在於保護ADC和其他模擬電路免遭電壓尖峰的威脅。


對於采用通用數據采集設備和外部信號調理硬件的測量產品
，市場上有數種配置可供選擇。例如，NI M係列包含多款提供高性能模擬I/O和數字I/O的非隔離式通用多功能數據采集設備。對於需要隔離功能的應用

，您可以使用M係列設備及配套的外部信號調理 電路，如NI公司的SCXI模塊或SCC模塊。這些信號調理平台提供了您為了實現與載荷測量計
、應變計以及pH傳感器等工業傳感器直接連接所需的隔離功能 和專用信號調理功能。

數字隔離

ADC是任何模擬輸入數據采集設備的關鍵組件之一。為了獲得最佳性能，ADC的輸入信號應當盡可能接近原始的模擬信號。 模擬隔離可能會在信號到達ADC之前導致包括增益、非線性和偏偏移量等誤差。將ADC放置在更為接近信號源的位置可以獲得更好的性能。同時，模擬隔離組件 jiagejiaogao
，erqiekenengcunzaijianlishijianguochangdequedian。jinguanshuzigelikeyihuodegenghaodexingneng
，danshi，zaiguoqushiyongmonigelideyuanyinzhiyiqueshiweiangguideADC提供保護。由於 ADC的價格已經大幅下降，測量設備的供應商們正在選擇通過對ADC的保護來換取數字隔離裝置所提供的更好性能和更低成本
，如圖9所示。


與隔離放大器相比

，數字隔離組件具有更低的成本並提供更高的數據傳輸速率。數字隔離技術也提供給模擬設計人員在選擇組件 並開發麵向測量設備的最優模擬前端時能夠有更高的靈活性。具有數字隔離功能的產品利用限流電路和限壓電路提供ADC保護。數字隔離組件遵循與光耦合

、電容 耦合和感應耦合相同的基本原理，這也是模擬隔離技術的構成基礎。

光耦合器

光耦合器，即基於光耦合原理的數字隔離裝置
，是最古老也是最常用的數字隔離方法之一。它們可耐高壓並提供對電氣噪聲和磁 噪聲的高抗幹擾能力。光耦合器常用於工業數字I/O產品中，如NI PXI-6514隔離式數字I/O模塊（如圖10所示）和NI PCI-7390工業運動控製器。

Industrial Digital I/O工業數字I/O、Optpcouplers光耦合器

、 Digital Input數字輸入、Digital Output數字輸出。


然而

，對於高速模擬測量，光耦合器易受到速率、功耗和LED損耗等與光耦合相關的限製的影響。而基於電容耦合和感應耦合的數字隔離裝置可以緩解許多光耦合器的限製。