圖6b 數字隔離技術

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

模擬隔離技術

隔離放大器一般用于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”表示一個隔離放大器，在大多數電路中，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轉換電路。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，或將其轉換為變化的光強。對于電容耦合方法和感應耦合方法，您需要將該信號轉換為變化的電場或磁場。然后，解調器電路讀入隔離電路的輸出，并將其轉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，可以作為最佳方案。在這種情況下，該數據采集設備執(zhí)行模數轉換，而外部的電路提供隔離功能。利用該數據采集設備和外部信號調理電路的組合，測量系統(tǒng)的供應商就可以開發(fā)通用數據采集設備和面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(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 在靈活的信號調理硬件中使用隔離放大器

對于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系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理電路，如NI公司的SCXI模塊或SCC模塊。這些信號調理平臺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(yè)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，模擬隔離組件價格較高，而且可能存在建立時間過長的缺點。盡管數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。

圖9 16-位模數轉換器的價格下降曲線

與隔離放大器相比，數字隔離組件具有更低的成本并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。

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(yè)運動控制器。

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

圖10 工業(yè)數字I/O產品使用光耦合器

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字隔離組件。這些隔離裝置提供了高數據傳輸速率和瞬態(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的數據傳輸速率。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。