中心議題：

• 用於工業測量的隔離方法

解決方案：

• 采用光學隔離技術
• 采用電容隔離技術
• 采用感應耦合隔離技術

電壓、電流、溫度、壓力、應變和流速的測試是工業控製與過程控製應用不可或缺的一部分。通常，這些應用所處的環境具有危險的電壓
、瞬態信號、共gong模mo電dian壓ya和he地di電dian位wei波bo動dong，這zhe會hui使shi測ce量liang係xi統tong受shou損sun並bing破po壞huai測ce量liang的de精jing度du。為wei應ying對dui這zhe些xie挑tiao戰zhan，專zhuan為wei工gong業ye應ying用yong所suo設she計ji的de測ce量liang係xi統tong采cai用yong了le電dian氣qi隔ge離li技ji術shu。本ben白bai皮pi書shu聚ju焦jiao於yu用yong於yu模mo擬ni測ce量liang的de隔ge離li技ji術shu
，解jie答da了le常chang見jian的de隔ge離li問wen題ti，並bing涵han蓋gai了le關guan於yu不bu同tong的de隔ge離li實shi現xian技ji術shu的de技ji術shu內nei容rong。

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

jinggelichulideceliangxitongweimoniqianduanhexitongbeibanfenbietigongjiedimian，yishichuanganqiceliangyuxitongqitabufenxiangfenli。gaigeliqianduandejiedilianjieshiyigekeyigongzuoyuyudadibutongdianshidefudongguanjiao。tu1展(zhan)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)。存(cun)在(zai)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)地(di)和(he)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)地(di)之(zhi)間(jian)的(de)任(ren)何(he)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)都(dou)會(hui)受(shou)到(dao)抑(yi)製(zhi)。這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)的(de)形(xing)成(cheng)，並(bing)剔(ti)除(chu)傳(chuan)感(gan)器(qi)線(xian)路(lu)上(shang)的(de)任(ren)何(he)噪(zao)聲(sheng)。
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、guochengkongzhiheqicheceshideng。daiyougeligongnengdeceliangshebeikeyizaizhexieeliedehuanjingxiatigongkekaodeceliang。duiyuyubingrenzhijiejiechudeyiliaoshebei，geliyouzhuyufangzhidianyuanxianludeshuntaidianliuchuanshutongguogaishebei。

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。 [page]
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(guang)學(xue)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)是(shi)最(zui)常(chang)使(shi)用(yong)的(de)隔(ge)離(li)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)。采(cai)用(yong)光(guang)學(xue)隔(ge)離(li)的(de)優(you)勢(shi)之(zhi)一(yi)便(bian)是(shi)其(qi)抵(di)抗(kang)電(dian)氣(qi)噪(zao)聲(sheng)和(he)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)的(de)能(neng)力(li)。這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)也(ye)存(cun)在(zai)一(yi)些(xie)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)
，包(bao)括(kuo)受(shou)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(ao)斯(si)特(te)發(fa)現(xian)
，電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)線(xian)圈(quan)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)磁(ci)場(chang)。後(hou)來(lai)人(ren)們(men)發(fa)現(xian)
，緊(jin)挨(ai)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)所(suo)產(chan)生(sheng)變(bian)化(hua)磁(ci)場(chang)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(gan)應(ying)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)使(shi)用(yong)了(le)一(yi)對(dui)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)分(fen)離(li)的(de)線(xian)圈(quan)。該(gai)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)防(fang)止(zhi)任(ren)何(he)物(wu)理(li)信(xin)號(hao)的(de)傳(chuan)輸(shu)。信(xin)號(hao)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)流(liu)經(jing)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)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(yu)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)磁(ci)場(chang)的(de)使(shi)用(yong)，因(yin)此(ci)它(ta)易(yi)受(shou)到(dao)外(wai)部(bu)磁(ci)場(chang)的(de)幹(gan)擾(rao)。
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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。

下列章節覆蓋了模擬隔離技術與數字隔離技術的更多細節，並闡述了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”biaoshiyigegelifangdaqi，zaidaduoshudianluzhong

，tashimonidianludeqianjianzhiyi。laizichuanganqidemonixinhaobeichuandizhigelifangdaqi，gaifangdaqitigonggeligongnengbingjiangxinhaochuandizhimoshuzhuanhuandianlu。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(zhi)一(yi)，以(yi)跨(kua)過(guo)隔(ge)離(li)層(ceng)傳(chuan)遞(di)信(xin)號(hao)。調(tiao)製(zhi)器(qi)電(dian)路(lu)為(wei)隔(ge)離(li)電(dian)路(lu)對(dui)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)預(yu)處(chu)理(li)。對(dui)於(yu)光(guang)學(xue)耦(ou)合(he)方(fang)法(fa)，您(nin)需(xu)要(yao)對(dui)該(gai)信(xin)號(hao)作(zuo)量(liang)化(hua)處(chu)理(li)，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(chu)的(de)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)。

由you於yu您nin在zai信xin號hao被bei量liang化hua處chu理li之zhi前qian進jin行xing了le模mo擬ni隔ge離li
，因yin此ci設she計ji配pei合he現xian有you的de非fei隔ge離li數shu據ju采cai集ji設she備bei需xu要yao使shi用yong的de外wai部bu信xin號hao調tiao理li電dian路lu時shi，可ke以yi作zuo為wei最zui佳jia方fang案an。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，該gai數shu據ju采cai集ji設she備bei執zhi行xing模mo數shu轉zhuan換huan，而er外wai部bu的de電dian路lu提ti供gong隔ge離li功gong能neng。利li用yong該gai數shu據ju采cai集ji設she備bei和he外wai部bu信xin號hao調tiao理li電dian路lu的de組zu合he，測ce量liang係xi統tong的de供gong應ying商shang就jiu可ke以yi開kai發fa通tong用yong數shu據ju采cai集ji設she備bei和he麵mian向xiang特te定ding傳chuan感gan器qi的de信xin號hao調tiao理li方fang式shi。圖tu8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。
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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(fang)置(zhi)在(zai)更(geng)為(wei)接(jie)近(jin)信(xin)號(hao)源(yuan)的(de)位(wei)置(zhi)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)。同(tong)時(shi)
，模(mo)擬(ni)隔(ge)離(li)組(zu)件(jian)價(jia)格(ge)較(jiao)高(gao)，而(er)且(qie)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)過(guo)長(chang)的(de)缺(que)點(dian)。盡(jin)管(guan)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)，但(dan)是(shi)，在(zai)過(guo)去(qu)使(shi)用(yong)模(mo)擬(ni)隔(ge)離(li)的(de)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)卻(que)是(shi)為(wei)昂(ang)貴(gui)的(de)ADC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(yu)隔(ge)離(li)放(fang)大(da)器(qi)相(xiang)比(bi)
，數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)組(zu)件(jian)具(ju)有(you)更(geng)低(di)的(de)成(cheng)本(ben)並(bing)提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)速(su)率(lv)。數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)也(ye)提(ti)供(gong)給(gei)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)選(xuan)擇(ze)組(zu)件(jian)並(bing)開(kai)發(fa)麵(mian)向(xiang)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)的(de)最(zui)優(you)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)時(shi)能(neng)夠(gou)有(you)更(geng)高(gao)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。具(ju)有(you)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)功(gong)能(neng)的(de)產(chan)品(pin)利(li)用(yong)限(xian)流(liu)電(dian)路(lu)和(he)限(xian)壓(ya)電(dian)路(lu)提(ti)供(gong)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。

在數字隔離組件領域領先的供應商，如安華高科技（www.avagotech.com）、德州儀器（www.ti.com）和Analog（www.analog.com）等(deng)公(gong)司(si)，已(yi)圍(wei)繞(rao)這(zhe)些(xie)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)其(qi)中(zhong)開(kai)發(fa)了(le)各(ge)自(zi)的(de)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)。安(an)華(hua)高(gao)科(ke)技(ji)提(ti)供(gong)了(le)基(ji)於(yu)光(guang)耦(ou)合(he)的(de)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)功(gong)能(neng)。德(de)州(zhou)儀(yi)器(qi)的(de)隔(ge)離(li)裝(zhuang)置(zhi)則(ze)基(ji)於(yu)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)
，而(er)模(mo)擬(ni)設(she)備(bei)公(gong)司(si)的(de)隔(ge)離(li)裝(zhuang)置(zhi)采(cai)用(yong)感(gan)應(ying)耦(ou)合(he)。

光耦合器

guangouheqi
，jijiyuguangouheyuanlideshuzigelizhuangzhi，shizuigulaoyeshizuichangyongdeshuzigelifangfazhiyi。tamenkenaigaoyabingtigongduidianqizaoshenghecizaoshengdegaokangganraonengli。guangouheqichangyongyugongyeshuziI/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。
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電容隔離技術

德de州zhou儀yi器qi提ti供gong了le基ji於yu電dian容rong耦ou合he的de數shu字zi隔ge離li組zu件jian。這zhe些xie隔ge離li裝zhuang置zhi提ti供gong了le高gao數shu據ju傳chuan輸shu速su率lv和he瞬shun態tai信xin號hao的de高gao抗kang幹gan擾rao能neng力li。與yu電dian容rong隔ge離li方fang法fa和he光guang學xue隔ge離li方fang法fa相xiang比bi

，感gan應ying隔ge離li消xiao耗hao的de功gong率lv更geng低di。

感應隔離技術

由Analog公司在2001年引入的iCoupler技術（analog.com/iCoupler）

，利用感應耦合為高速率、高通道數應用提供了數字隔離功能。iCoupler設備可以為一個采樣率達到兆赫茲範圍的16-位模擬測量係統在耐2500 V隔離下提供100 Mb/s的數據傳輸速率。與光耦合器不同
，iCoupler設備提供了其他的技術優勢

，如功耗降低、高達125℃的高工作溫度範圍和高達25 kV/ms的瞬態信號高抗幹擾能力。

iCoupler技術基於小尺寸的
、芯片大小的變壓器。一個iCoupler由三個主要部分組成——一個發射器、變壓器和一個接收器。發射器電路利用邊緣觸發器編碼，並將數字線路上的上升沿和下降沿轉換為1 ns的脈衝。這些脈衝利用變壓器跨隔離層傳輸
，並在另一側通過接收器電路解碼，如圖11所示。這些變壓器的小尺寸（約為1毫米的十分之三大小）使得它們幾乎不受外部磁噪聲幹擾。iCoupler設備還可以通過在每個集成電路（IC）上集成高達四路隔離式通道，降低測量硬件的成本
，而且，與光耦合器相比，它們所需的外部組件更少。
測量硬件供應商們正使用由iCoupler 設備提供低成本高性能的數據采集係統。麵向高速測量應用的NI工業數據采集（DAQ）設備，如工業M係列多功能DAQ設備，采用了如圖12所示的 iCoupler數字隔離裝置。這些設備在模擬通道和數字通道上提供60 VDC的連續隔離和長達5秒的1,400 Vrms/1,900 VDC通道與總線間隔離承受，並支持高達250 kS/s的采樣率。用於NI PAC平台、NI CompactRIO
、NI CompactDAQ以及其他高速NI USB設備的NI C係列模塊也采用了iCoupler技術。 總結

daigelideshujucaijixitongkeyizaiyouweixiandianyaheshuntaixinhaocunzaideeliehuanjingxiabaozhengqikekaoceliang。ninduiyugeligongnengdexuqiuqujueyudeceliangyingyongjiqizhouweihuanjingde。naxiexuyaoliyongdangetongyongshujucaijishebeiyubutongtexingdechuanganqixiangliandeyingyong
，keyideyiyujuyoumonigeligongnengdewaibuxinhaotiaolidianlu
；然而，低成本、高性能模擬輸入的應用則可得益於具有數字隔離技術的測量係統。