摘　要:

電路隔離的主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷,從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果,使電子電氣設(shè)備符合電磁兼容性的要求。通過(guò)對(duì)測(cè)量電路中幾種常用的隔離電路的分析，揭示這些隔離電路實(shí)現(xiàn)抑制噪聲并使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。

1　引言

工業(yè)過(guò)程控制和數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,被測(cè)量或控制的對(duì)象的參數(shù)往往是溫度、壓力、液位、流量等物理量。這些連續(xù)變化的物理量經(jīng)過(guò)傳感器采集放大和A /D 轉(zhuǎn)換后, 與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) ( 計(jì)算機(jī)) 相連。但是在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),各種電磁干擾信號(hào)都會(huì)隨著被測(cè)量信號(hào)進(jìn)人測(cè)量系統(tǒng)中,這些干擾信號(hào)即噪音疊加在有用的被測(cè)信號(hào)上,使測(cè)量的準(zhǔn)確度降低。另一方面,由于測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)信號(hào)共地產(chǎn)生的干擾也造成測(cè)量系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定穩(wěn)定性降低，影響系統(tǒng)的正常工作, 嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致死機(jī)。解決模擬信號(hào)通道引入噪音的一個(gè)有效的方法就是采用隔離技術(shù)，即將產(chǎn)生噪音的噪音源與測(cè)量系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。

2，電路隔離分類

數(shù)字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數(shù)字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、繼電器隔離、高頻變壓器隔離(個(gè)別情況下采用)；模擬電路的隔離比較復(fù)雜,要考慮模擬信號(hào)的精度、線性度、頻率響應(yīng)、噪聲響應(yīng)等,特別要考慮系統(tǒng)對(duì)傳 輸通道的精度要求,對(duì)精度要求越高,其通道的成本也可能越高。模擬電路的隔離主要采用變壓器、互感器、直流電壓隔離器、線性隔離放大器等隔離方法。

3，數(shù)字電路隔離

數(shù)字電路隔離有很多種方法，這里探討的是在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域常用的隔離方法，光耦隔離和脈沖變壓器隔離。

3.1，光耦隔離

光耦隔離是常用且方便有效的隔離方法,它是通過(guò)光電之間相互轉(zhuǎn)換,使測(cè)量系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)在電氣上隔離開(kāi),保證系統(tǒng)的安全。通常低速數(shù)字 I/O 信號(hào)采用光耦器件進(jìn)行隔離。通過(guò)光耦器件隔離后將不同幅值的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn) TTL 電平信號(hào)，并將通用平臺(tái)輸出的 TTL 信號(hào)轉(zhuǎn)換為與被測(cè)部件兼容的電平信號(hào)。這種隔離目的：是外部電信號(hào)與內(nèi)部電路隔離，或者控制電路電信號(hào)與輸出高電壓大電流信號(hào)隔離，如下（a）、（b）圖所示。

(a) 外部輸入與內(nèi)部電路的隔離             (b)控制輸出與外部電路的隔離

目前,大多數(shù)光電耦合器件的隔離電壓都在2.5kV以上,有些器件達(dá)到了8kV,既有高壓大 電流大功率光電耦合器件,又有高速高頻光電耦合器件(頻率高達(dá)10MHz)，這些都是在選型的時(shí)候要根據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)用需求而定。

3.2，脈沖變壓器隔離

脈沖變壓器是一種寬頻變壓器，初級(jí)與次級(jí)隔離。前級(jí)與后級(jí)互不成回路，要求波形傳輸時(shí)不失真，也就是要求波形的前沿，頂降都要盡可能小。由于脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號(hào)時(shí)不傳遞直流分量,因而在測(cè)量控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō),脈沖變壓器的信號(hào)傳遞頻率在1kHz～1MHz之間,新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達(dá)到10MHz。典型電路如下（a）、（b）圖所示。

(a)高頻脈沖隔離應(yīng)用 (b)隔離開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

4，模擬電路隔離

在工業(yè)控制中常用到的隔離有直流電源隔離和線性放大信號(hào)隔離，這里就探討這倆種模擬隔離。

4.1，直流電源隔離

一種是直流電源DC/DC隔離模塊的使用，如下圖所示，26V直流電源輸入，產(chǎn)生+15V的隔離電源輸出。

另一種是專業(yè)的隔離控制IC,如MAX13256  為H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器，可以設(shè)計(jì)出高達(dá)10W的可調(diào)電壓的隔離電源。

4.2，線性放大信號(hào)隔離

具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合,模擬信號(hào)的測(cè)量和控制系統(tǒng)必須對(duì)輸入與輸出之間進(jìn)行隔離,以消除噪聲的耦合。隔離可使模擬信號(hào)的測(cè)量、控制系統(tǒng)有如下好處:

（1）防止模擬系統(tǒng)干擾,尤其是電力系統(tǒng)的接地干擾進(jìn)入邏輯系統(tǒng),導(dǎo)致邏輯系統(tǒng)的工作紊亂。

（2）在精密測(cè)量系統(tǒng)中,防止數(shù)字系統(tǒng)的脈沖波動(dòng)干擾進(jìn)入模擬系統(tǒng),尤其是前置放大部分,因?yàn)榍爸梅糯蟛糠值男盘?hào)非常微弱,較小的騷擾波動(dòng)信號(hào)就會(huì)把有用信號(hào)淹沒(méi)。

一種是對(duì)于高電壓大電流信號(hào)的隔離一般采用互感器隔離。如下圖所示：

另外一種是微電壓微電流隔離隔離方法，微電流模擬信號(hào)的隔離系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜,既要考慮其精度、頻帶寬度、溫漂等因素的影響，又要考慮其價(jià)格因素，對(duì)于具有較大的共模噪聲,且測(cè)量精度要求比較高的場(chǎng)合,應(yīng)采取專門的隔離措施，可選擇高精度線性隔離放大器。

5，結(jié)束語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō)隔離電路的設(shè)計(jì)主要出于兩種考慮：第一，保護(hù)被測(cè)電路和測(cè)試電路，使其不至于因測(cè)試電路或被測(cè)電路的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。第二，減小環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試電路的影響。為保護(hù)后級(jí)設(shè)備、保證測(cè)量結(jié)果的有效性，測(cè)試電路與被測(cè)電路必須做到嚴(yán)格的電氣隔離，隔離電路應(yīng)具有較高的精度，但是同時(shí)也要考慮電路的成本和體積也要符合工程需要。

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