数据采集系统中隔离的重要性

在本文中，我们将了解数据采集系统中隔离的重要性，并将详细描述如下:

什么是电气隔离？

有时也被称为电隔离，电气隔离是指电路与其他电势源的分离。

为什么需要隔离 ？

干扰电位本质上可以是交流电和直流电。例如，当一个传感器被直接放置在测试中的物品上(例如电源) ，这个物品在地面上有一个电位(例如，大于0伏特) ，这个传感器可以对信号施加一个直流偏移。电气干扰或噪声也可以采取交流信号的形式产生的其他电气部件在信号路径或在周围的环境测试。

对于我们想要测量的模拟输入信号来说，隔离是特别重要的。因此，许多这些信号存在于相对较低的水平，和外部电势可以影响信号很大，导致错误的读数。想象一下，一个热电偶的输出只有几千伏特，它是多么容易受到电子干扰的影响。

即使是我们建筑物中的常规线路电源也会产生50或60赫兹的电场，这取决于你的国家。这就是为什么最好的数据采集系统采用隔离输入——以保持信号链的完整性，并确保传感器输出的信息确实是已经读取的信息。

也有高电压，如果允许交叉连接的非隔离系统，可以损坏或破坏昂贵的设备。在最坏的情况下，它会给测试人员带来身体伤害甚至死亡。对人们有危险的电压通常被认为是大于30 Vrms、42.4 VAC 或60 VDC 的电压。

在测试和测量领域，避免或消除接地回路和共模电压过载对于精确测量、保护测试设备和被测对象，最重要的是保护人体免受危险电压电位的影响至关重要。

在我们的信号通过放大器并被发送到模拟到数字转换器之前，我们必须确保它们的完整性，而做到这一点的最佳方法是隔离。

何时需要隔离？

一个更简单的问题可能是“什么时候不需要隔离?”在考虑应用程序是否需要单独的输入时，请问自己以下问题:

附近有危险的高压电吗? (外面有高压电线? 发电机?)

是否有大型发动机，涡轮机，焊接机，或任何机器使用大电流在同一建筑物或在同一电力网络？

你的电力系统的地电位是波动还是变化？

你的电力系统是否曾经受到电力尖峰或暂态的影响? 你是否处于高闪电电位区域？

是否直接对可能存在不同电压电位的元件或结构进行毫伏级信号测量？

如果其中一个或多个适用于您，那么可能需要独立的输入。
很明显，基本上没有一个主要的应用程序不受自然或人为环境的干扰，孤立的输入可以完全减轻或消除这些干扰。不提供孤立输入的测量系统比提供孤立输入的测量系统便宜。然而，如果测量系统不能进行准确、无噪音的测量，那么它的意义何在？

共模电压问题及解决方法

共模电压是进入测量链的不需要的信号，通常来自连接传感器和测量系统的电缆。有时被称为“噪声”这些电压扭曲了我们试图测量的真实信号。根据它们的振幅，它们可以是“小麻烦”，也可以完全模糊真实信号，破坏测量结果。

差分放大器的示例

消除共模信号最基本的方法是使用差动放大。这个放大器有两个输入: 一个正的和一个负的。放大器只测量两个输入之间的差值。

沿着我们的传感器电缆的电气噪声应该出现在两条线上-信号正线和地面(或信号负)线。差动放大会拒绝两条线路共有的信号，只有信号会通过，如下图所示:

差动放大成功地消除了 CMV 输入范围内的共模电压

当存在于信号线上的 CMV 超过差动放大的最大 CMV 输入范围时，它就会“剪切”其结果是一个失真的、无法使用的输出信号，如下图所示:

当超过共电压模式输入范围时，差动放大会产生扭曲或“剪辑”

因此，在这些情况下，我们需要一个额外的保护层，以防止 CMV 和电气噪声(以及接地回路，这将在下一节讨论)-隔离。隔离放大器的输入“浮动”在共模电压之上。它们被设计成具有1000伏特或更高击穿电压的隔离屏障。这允许它拒绝非常高的 CMV 噪声和消除地面回路。

隔离差动放大甚至拒绝非常高的共电压模式

隔离放大器通过使用微型变压器将输入和输出分离(“浮动”) ，或者通过小型光耦合器，或者通过电容耦合来产生隔离屏障。后两种方法通常提供最佳的带宽性能。

什么是共模电压抑制比-CMBR

差动放大(或其他器件)的共模抑制比(cMRR)是量化器件抑制共模信号(即同时出现在两个输入端的同相信号)的能力的指标。一个理想的差动放大应该有无限的共模抑制比。然而，这在实践中是不可能实现的。当差分信号必须在可能较大的共模输入(例如强电磁干扰干扰)下放大时，需要较高的共模抑制比。

地面回路问题及解决方法

如果不加以防止，地线圈就会成为测量系统的一个严重问题。有时被称为“噪声”，一个接地回路是由于无意中将电气设备引向一个以上的接地路径而引起的——这些接地点的任何电位差都可能导致一个电流回路，从而导致信号失真。如果这些失真的幅度足够高，它可以破坏测量。

在下面的图片中，测量放大器连接到地面(GND1)在一边。一个不对称的屏蔽电缆用于连接传感器，其金属外壳被放置在导电表面的 GND 2。由于电缆的长度，GND1和 GND2之间有一个不同的电位。这种电位差就像一个电压源，与来自环境的电磁噪声相耦合。

由地电位差引起的地线环路

如果传感器可以与 GND2解耦，就可以解决这个问题。但有时这是不可能的。此外，有时电缆屏蔽的参考是安全规则所要求的，因此不应该被删除。最好的解决办法是在隔离的信号调节器内使用差动放大。有了这个改变，问题就解决了。

通过隔离消除微分接地电位问题

地回路也可以来自仪器本身，通过自己的电源。请记住，我们的测量系统是插入电源，这有一个地面参考。因此，至关重要的是将该参考信号与仪器的信号处理组件解耦，以确保不会在仪器内部产生地线回路。

电源感应地线圈

如果有接线故障，这种情况可能变得危险。从电源的高电流路径来看，如果回路断了会发生什么情况？所有的能量将通过系统的信号调节部分进行路由。这可能导致整个系统遭到破坏或摧毁，甚至可能对仪器操作人员造成危险。

电源的危险引起地线回路

通过将信号路径与电源完全隔离，上述情况不可能发生。

隔离域

有两个基本领域可以实现隔离:

模拟和数码

模拟域隔离

模拟域隔离与模拟传感器的输出一起使用。这种隔离发生在模拟域中，也就是说，在 ADC 子系统之前。

模拟域隔离系统

在任何模拟隔离系统中，增益和偏置精度都必须相当高，因为我们不想把错误的信号数字化。

数字域隔离

当我们的信号是数字的时候，首先，我们可以使用数字隔离技术来保护我们的信号、系统和操作员。

数字域隔离系统

在这种情况下，一个隔离屏障将外部信号与电路内部的再创建分开。然后，隔离的数字信号可以被路由到微处理器、 FPGA、栅极驱动器等。现在让我们看一下在模拟和数字隔离中使用的三种基本隔离技术。

三种基本隔离技术

有几种方法可以在信号源和系统的其他部分之间建立隔离屏障:

光学隔离

感应隔离

电容隔离

光学隔离

光隔离是将信号与系统的其他部分和外部世界隔离的最流行和有效的方法之一。一个电信号被输入到一个发光二极管，发光二极管通过电介质隔离屏障将其传输到光电二极管，光电二极管再将其转换回电信号。

光学隔离使用 LED (左)和光电二极管(右)

通过将电信号转换成光，然后再转换回电，它与外部世界完全解耦。光不容易受到电磁干扰(EMI)或无线电频率(RFI)干扰，这种方法的固有优点。然而，光耦并不像光本身那样快——它们受到 LED 开关速度的限制。它们通常比电感或电容隔离器慢。此外，LED 灯的强度会随着时间的推移而降低，需要重新校准或更换。

感应隔离

工程师们知道电流会产生磁场。通过将信号发送到一个绕组，并将其定位在一个相同的绕组附近并与之平行，信号的表示将被感应，或“耦合”到第二个绕组。

用电绝缘体隔开的绕组进行感应隔离

在电感耦合隔离的情况下，在两个绕组之间放置一个电气绝缘屏障，因此从第一个绕组传递到第二个绕组的信号只有那些被磁感应的信号，而且在屏障上没有直接接触。感应耦合器具有很高的带宽和极其可靠的，但他们可以受到附近的磁场影响。

感应隔离

电容隔离器将信号耦合到隔离屏障上，通常由二氧化硅制成。它们不能通过直流信号，这使得它们非常善于阻塞共模信号。信号被转换成数字信号，然后在屏障的另一侧使用电容耦合复制。

电容隔离器利用电容耦合在隔离屏障的另一边重建信号

与电感隔离不同，电容隔离不易受到磁干扰。高数据率和长寿命运行是这些隔离器的标志。电容式隔离器可提供不同的额定值，以提供正确的安全水平，防止故障和可能的短路。