隔离类型和测量注意事项

隔离是一种将仪器的两个不同部分进行物理和电气分离的方法。当术语隔离一词用于仪器时，它很可能是指电气隔离，即电流不会在系统中相互隔离的两个部分之间流动。电气隔离具有诸多优势，但就测量精度而言，其最大优势在于隔离可断开接地回路。

隔离也使用物理屏障和电气屏障，使用户或重要电路组件远离高电压或高瞬态电压，从而提供安全性优势，相关内容我们将在下文详细讨论。

首先，让我们快速回顾一下接地回路，仪器基础教程系列中的改进测量的接地注意事项白皮书详细介绍了接地回路。

接地回路

接地回路是采集应用中最常见的噪声源。当电路中两个相连的接线端处于不同的接地电势差时，就会产生接地回路，导致两点之间有电流流动。这种电势差会导致测量电压V_m产生误差，V_m由公式1得出。

公式1： 存在接地回路的测量电压。

其中：

=测量电压

 =信号电压

 =信号源接地与仪器接地电压差

《测量接地的注意事项》白皮书讨论了如何通过确保信号源和测量系统设置中只存在一个接地参考来消除接地回路。但是，使用隔离硬件也可以消除接地回路，因为它可以消除电流在信号源接地和测量系统接地之间的流动路径。

一般来说，隔离拓扑按照保护级别从低到高分为3种：

• 通道对地隔离
• 组（通道至总线）隔离
• 通道间隔离

通道对地隔离

这是仪器的最低隔离保护级别。有关通道对地隔离的原理图，请参见图1。AI 1、AI 2和AI接地端的电压彼此未隔离；但它们与仪器接地相隔离。这种隔离拓扑会断开AI 1与接地之间的接地回路，但AI 1中的电流可能会在AI 2上感应出电压，因为它们未相互隔离。

^{图1：通道对地隔离不会将通道彼此隔离，而是将通道与仪器接地隔离。}

组（通道至总线）隔离

组隔离（又称通道至总线隔离）可将多条物理线路构建为组。有关此架构，请参见图2。由于不同组的通道之间存在隔离屏障，因此组之间的接地回路保护级别较高。但是，在这种拓扑结构中，同组通道中的信号仍然可能相互影响。

^{图2：组隔离中不同组之间的接地回路保护级别较高。}

通道间隔离

这种拓扑结构为仪器线路上的信号提供了最全面的保护，因为不仅所有通道都与接地隔离，而且每个通道也与所有其他单独的通道隔离。有关此拓扑，请参见图3。

^{图3：在通道间隔离中，每个通道都与所有其他单独通道隔离。}

无论仪器的隔离拓扑如何，模拟输入或输出通道都可以使用两种不同的方法进行隔离。这两种方法的区别在于隔离电路在仪器中的位置。模拟隔离是指隔离电路位于模数转换器(ADC)前的路径中，并作用于模拟信号。数字隔离指隔离电路位于ADC后的路径中，并作用于新生成的数字化数据。

模拟隔离

隔离放大器是用于在仪器的模拟前端提供隔离的常见部件之一。如图4所示，模拟数据从传感器进入I/O连接器，通过增益放大器进入隔离放大器，然后进入ADC。

^{图4：隔离放大器是用于在仪器的模拟前端提供隔离的常见部件之一。}

模拟隔离的优势在于可以保护ADC。由于ADC前存在隔离，因此不容易因瞬态或高电压而损坏。但模拟隔离也有缺点。首先，由于模拟隔离并不完善，而且位于ADC前，因此可能会在模拟信号到达ADC之前增加信号中的增益、非线性或偏移误差。这并非理想情况，并且会降低测量精度。此外，相对于数字隔离组件，模拟隔离组件会延长稳定时间并提高成本。

数字隔离

与模拟隔离不同，数字隔离电路位于仪器中的ADC后，如图5所示。

^{图5：与模拟隔离不同，数字隔离电路位于仪器中的ADC后。}

与模拟隔离电路相比，数字隔离的性能和精度更高，因为测量信号在通过ADC进行数字化之前变化较小。与模拟隔离电路相比，数字隔离电路也具有优势，其总体成本通常较低，而且数据传输速度较高。但是，由于数字隔离电路位于ADC后，因此ADC更容易因电压突波而损坏。

我们讨论了仪器的常见隔离拓扑以及隔离可应用于仪器内部信号的位置，但尚未讨论隔离屏障本身或信号穿越隔离屏障的方式。本节我们首先将快速介绍隔离屏障，然后讨论3种常见的隔离类型及其如何利用不同的技术穿越隔离屏障传输信号数据。

物理隔离是最基本的隔离形式，即两个电气系统之间存在物理隔离屏障。物理隔离屏障可以是绝缘、空气间隙或两个电气系统之间的任何非导电路径的形式。纯物理隔离可以使电气系统之间不发生信号传输。在处理隔离测量系统时，为了消除接地回路，目标信号需穿越隔离屏障。因此，信号能量必须穿越隔离屏障进行传输或耦合。下文将讨论穿越隔离屏障传输信号的3种常见技术。

电容隔离

如图6所示，电容隔离以电场为能量形式，使信号穿越隔离屏障传输。电场会改变电容中的电荷水平。可检测穿越隔离屏障的电荷，且该电荷与测量信号的电平成正比。

^{图6： 电容隔离以电场为能量形式，使信号穿越隔离屏障传输。}

电感隔离

如图7所示，电感隔离通过变压器使信号穿越隔离屏障传输。变压器生成与测量信号成正比的电磁场，作为穿越隔离屏障的能量形式。

^{图7： 电感隔离使用带有上述符号的变压器使信号穿越隔离屏障传输。}

与电容耦合一样，电感隔离可提供相对较高的数据传输速率。除了高速传输之外，电感耦合的数据传输功耗也比较低。但是，因为使用电磁场作为信号穿越隔离屏障的能量形式，电感耦合容易受到周围磁场的干扰。如果外部磁场干扰了变压器产生的电磁场，则可能会影响测量的精度。

光学隔离

光学隔离使用LED和光电探测器使信号穿越隔离屏障传输。光学隔离中的隔离屏障通常是空气间隙，信号通过光传输。LED产生的光强与测量信号成正比。

^{图8：光学隔离使用LED和光电探测器使信号穿越隔离屏障传输。}

由于光学隔离以光作为能量形式使信号穿越隔离屏障传输，因此具有抗电场和磁场干扰的优势。这使光学隔离成为适合具有强电场或磁场工业领域的有效技术。光学隔离的优势与弊端可相互平衡。通常光学隔离的数据传输速率较慢，且受限于LED的开关速度。此外，与电容隔离和电感隔离相比，光学隔离的功耗较高。

• 隔离是一种将仪器的两个不同部分进行物理和电气分离的方法。
• 断开接地回路以更准确地测量目标信号是隔离测量系统的主要优势。
• 您可根据应用需求，选择最适合系统需求的隔离拓扑。
  • 通道对地隔离可将通道与仪器接地隔离。
  • 组（通道至总线）隔离可将线路组与其他线路组以及仪器接地隔离。
  • 通道间隔离可将每条线路与其他所有线路以及仪器接地隔离。
• 模拟隔离电路可保护ADC免受高电压和瞬态电压的影响，但会在信号到达ADC之前增加增益、非线性和偏移误差。
• 数字隔离电路不保护ADC，但与模拟隔离相比，因为信号在到达ADC之前变化较小，它的成本更低、数据传输速度更快、精度更高。
• 隔离类型概述： 

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