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                                  工业数据采集接口与数字隔离器

                                  2021-01-20 06:28:32 发表

                                  电流隔离已成为工业工程界的口头禅,因为法律法规要求在工业系统设计中实施电流隔离。电流隔离允许两个通信点之间交换信息和电力,同时防止实际电流流动。 电流隔离有两个主要好处。首先,它保护人和设备免受潜在危险的电流和电压冲击。其次,它防止了接地环路的无意设计,否则接地环路的噪声会干扰来自数据链路和其他互连的信号。 模拟输入/输出、仪器仪表、运动控制和其他传感器接口的传统设计通常使用单通道隔离放大器,将工厂恶劣环境中的传感器电路与无噪声控制室环境中的信号处理级分开。技术和设计的进步催生了新的节省空间和功耗的数字隔离器,其多通道能力使设备设计具有更小的外形尺寸。本文介绍了这两种隔离器及其工作原理。还提供了应用实例。


                                  传统隔离设计

                                  使用隔离放大器的传统设计的一个经典例子是图1中的单通道隔离温度测量电路。这里,热电偶将测量的温度转换成低压DC输出。以下电阻二极管网络通过提供工作点偏置、补偿温度漂移和充分提升输入以匹配隔离放大器的输入电压范围来调节输入信号。 隔离放大器是一种精密放大器,使用占空比调制(DCM)通过容性隔离栅传输输入信号。DCM确保不受不同屏障特性的影响,同时保持信号完整性。这导致高可靠性和良好的共模瞬变抗扰度。


                                  图1.隔离温度测量

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                                  在器件内部,输入和输出部分由两个匹配的电容电流隔离(见图2)。输入部分通过输入电阻RIN将输入电压VIN转换为输入电流IIN。放大器A1配置为积分器,对IIN和电流源之间的差值进行积分,直到超过下一个比较器的输入阈值。比较器和读出放大器AS1一起迫使电流源以内部500千赫振荡器的频率切换。进入容性势垒的驱动信号是一个互补的占空比调制方波。 输出部分通过平衡低通滤波解调来自隔离栅的信号。读出放大器AS2检测跨越势垒的信号转变,并将开关电流源驱动到积分器A2中。该级平衡占空比调制电流与通过射频的反馈电流,从而产生等于车辆识别号的平均值。反馈环路中的采样保持放大器消除了解调过程中固有的不良电压纹波。 隔离放大器虽然高度精确可靠,但有几个技术缺陷。这些放大器具有不大于50千赫的低输入信号带宽。他们对最低4伏电源的要求不支持现代低压设计。它们昂贵的制造工艺需要分别制造输入和输出芯片,进行激光微调以实现精确的电路匹配,并将两个芯片与隔离电容最终组装到一个封装中。


                                  图2.隔离放大器内部

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                                  图3.隔离数据采集系统

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                                  现代隔离设计

                                  现代数据采集设计使用模数转换器(ADC),其输入被多路复用到单通道调理路径中(见图3)。可编程增益放大器(PGA)将微弱的输入信号放大,转换器对信号进行δ-∑调制,将其转换为数字数据流。然后,数字转换结果通过数字隔离器传输到系统控制器,以便在数字域中进行进一步处理。 数字隔离器可以拥有各种使用磁、光电或电容隔离技术的隔离栅。图4中的隔离器基于电容隔离栅技术。该设备由两个并行数据通道组成,一个是带宽从100 kbps到150 Mbps的高速交流通道,另一个是覆盖从100 kbps到DC的低速DC通道。 在隔离器内部,进入交流通道的单端输入信号通过反相和同相输入缓冲器转换成平衡信号。然后,RC网络将信号区分为瞬变,比较器将瞬变转换为短脉冲。最后一个触发器将这些脉冲转换成与原始输入信号相位和形状相同的输出信号。 看门狗定时器形式的决策逻辑(DCL)测量信号瞬变之间的持续时间。如果两个连续瞬变之间的持续时间超过最大时间窗口(如低频信号的情况),输出多路复用器将从高速交流通道切换到低速DC通道。 因为低速信号缺乏足够的转换来轻松跨越微小的隔离电容,所以内部振荡器的载波频率通过脉宽调制器(PWM)施加到它们身上。越过屏障后,低通滤波器(LPF)在将高频内容传递到输出多路复用器之前,从实际数据中移除高频内容。


                                  图4.数字电容隔离器

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                                  工业应用

                                  工业数据采集系统最常见的两种应用是过程控制和工厂自动化。过程控制系统通常在一个系统中检测或测量多个物理量,如温度和压力,而工厂自动化通常监控多个系统中的一个物理量。因此,每个应用中使用的数据转换器的配置有很大不同。过程控制系统解决了广泛的传感器和 传感器类型要求增益、采样速率、测量重复和阻抗缓冲等各种参数设置。与此形成鲜明对比的是,工厂自动化通常可以监控多个相同类型的传感器,因此只需要最少数量的参数设置。

                                  因为参数设置的数量会影响数字接口设计的隔离效果和相关成本,所以区分过程控制和工厂自动化非常重要。数据采集系统的两种典型设计如图5和图6所示。 在图5的配置中,各种传感器测量不同的量,如温度、压力和电流。各种增益设置可最大化每个传感器的模数转换器输入电压范围。为了匹配某些输入通道的变化速率,可能需要在采样速率之间进行切换。当不执行测量时,可选的掉电功能可保持模数转换器的电源。这种高通用性需要多达八个隔离控制通道。 相比之下,在图6的配置中,四个相同类型的热电偶连续测量不同类型设备的温度。虽然该设计使用与图5相同的模数转换器,但统一的传感器特性允许增益和采样速率设置固定,并且禁用掉电功能。这种系统配置大大降低了隔离要求,因为只有四条数据和控制线路。


                                  结论隔离放大器不在,数字隔离器在。为了节省设计时间和电路板空间,并降低材料成本,在决定使用何种隔离器之前,必须了解系统要求。


                                  图5.用于过程控制的独立数据采集系统

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                                  引用有关本文的更多信息,您可以从www.ti.com/lit/litnumber下载一个Acrobat Reader文件,并用TI Litti替换“litnumber”。#针对下列材料。

                                  文件标题       TI Lit. #

                                  1.托马斯·库格斯塔德,“数字隔离器设计”,《模拟应用杂志》(2Q,2009年)...................................... slyt335 2.托马斯·库格斯塔德,“数字电容隔离器的磁场抗扰度”,《模拟应用杂志》(2010年第3期).................slyt381

                                  相关网站 interface.ti.com www.ti.com/sc/device/partnumber

                                  用ADS1234、ISO7740、ISO7741、MSP430F2132或TPS55010替换零件号


                                  图6.工厂自动化中的隔离数据采集系统image.png


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