圖6b 數(shù)字隔離技術

下列章節(jié)覆蓋了模擬隔離技術與數(shù)字隔離技術的更多細節(jié)，并闡述了實現(xiàn)這兩者的不同技術

模擬隔離技術

隔離放大器一般用于在數(shù)據(jù)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”表示一個隔離放大器，在大多數(shù)電路中，它是模擬電路的前件之一。來自傳感器的模擬信號被傳遞至隔離放大器，該放大器提供隔離功能并將信號傳遞至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖7表示了一個隔離放大器。

圖7 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(jié)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(diào)制器電路為隔離電路對信號進行預處理。對于光學耦合方法，您需要對該信號作量化處理，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為變化的光強。對于電容耦合方法和感應耦合方法，您需要將該信號轉(zhuǎn)換為變化的電場或磁場。然后，解調(diào)器電路讀入隔離電路的輸出，并將其轉(zhuǎn)化回最初的模擬信號。

由于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(xiàn)有的非隔離數(shù)據(jù)采集設備需要使用的外部信號調(diào)理電路時，可以作為最佳方案。在這種情況下，該數(shù)據(jù)采集設備執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而外部的電路提供隔離功能。利用該數(shù)據(jù)采集設備和外部信號調(diào)理電路的組合，測量系統(tǒng)的供應商就可以開發(fā)通用數(shù)據(jù)采集設備和面向特定傳感器的信號調(diào)理方式。圖8展示了采用隔離放大器的靈活信號調(diào)理電路實現(xiàn)的模擬隔離功能。在模擬前端實現(xiàn)隔離功能的另一個優(yōu)勢在于保護ADC和其他模擬電路免遭電壓尖峰的威脅。

圖8 在靈活的信號調(diào)理硬件中使用隔離放大器

對于采用通用數(shù)據(jù)采集設備和外部信號調(diào)理硬件的測量產(chǎn)品，市場上有數(shù)種配置可供選擇。例如，NI M系列包含多款提供高性能模擬I/O和數(shù)字I/O的非隔離式通用多功能數(shù)據(jù)采集設備。對于需要隔離功能的應用，您可以使用M系列設備及配套的外部信號調(diào)理電路，如NI公司的SCXI模塊或SCC模塊。這些信號調(diào)理平臺提供了您為了實現(xiàn)與載荷測量計、應變計以及pH傳感器等工業(yè)傳感器直接連接所需的隔離功能和專用信號調(diào)理功能。

數(shù)字隔離

ADC是任何模擬輸入數(shù)據(jù)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，模擬隔離組件價格較高，而且可能存在建立時間過長的缺點。盡管數(shù)字隔離可以獲得更好的性能，但是，在過去使用模擬隔離的原因之一卻是為昂貴的ADC提供保護。由于 ADC的價格已經(jīng)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(shù)字隔離裝置所提供的更好性能和更低成本，如圖9所示。

圖9 16-位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的價格下降曲線

與隔離放大器相比，數(shù)字隔離組件具有更低的成本并提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)字隔離技術也提供給模擬設計人員在選擇組件并開發(fā)面向測量設備的最優(yōu)模擬前端時能夠有更高的靈活性。具有數(shù)字隔離功能的產(chǎn)品利用限流電路和限壓電路提供ADC保護。數(shù)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(gòu)成基礎。

在數(shù)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）等公司，已圍繞這些基本原理其中開發(fā)了各自的隔離技術。安華高科技提供了基于光耦合的數(shù)字隔離功能。德州儀器的隔離裝置則基于電容耦合，而模擬設備公司的隔離裝置采用感應耦合。

光耦合器

光耦合器，即基于光耦合原理的數(shù)字隔離裝置，是最古老也是最常用的數(shù)字隔離方法之一。它們可耐高壓并提供對電氣噪聲和磁噪聲的高抗干擾能力。光耦合器常用于工業(yè)數(shù)字I/O產(chǎn)品中，如NI PXI-6514隔離式數(shù)字I/O模塊（如圖10所示）和NI PCI-7390工業(yè)運動控制器。

Industrial Digital I/O工業(yè)數(shù)字I/O、Optpcouplers光耦合器、 Digital Input數(shù)字輸入、Digital Output數(shù)字輸出

圖10 工業(yè)數(shù)字I/O產(chǎn)品使用光耦合器

然而，對于高速模擬測量，光耦合器易受到速率、功耗和LED損耗等與光耦合相關的限制的影響。而基于電容耦合和感應耦合的數(shù)字隔離裝置可以緩解許多光耦合器的限制。

電容隔離技術

德州儀器提供了基于電容耦合的數(shù)字隔離組件。這些隔離裝置提供了高數(shù)據(jù)傳輸速率和瞬態(tài)信號的高抗干擾能力。與電容隔離方法和光學隔離方法相比，感應隔離消耗的功率更低。

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(shù)應用提供了數(shù)字隔離功能。iCoupler設備可以為一個采樣率達到兆赫茲范圍的16-位模擬測量系統(tǒng)在耐2500 V隔離下提供100 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。與光耦合器不同，iCoupler設備提供了其他的技術優(yōu)勢，如功耗降低、高達125℃的高工作溫度范圍和高達25 kV/ms的瞬態(tài)信號高抗干擾能力。