簡介

在電機(jī)控制，電源電流監(jiān)控和電池電壓監(jiān)控等應(yīng)用中，必須在高共模電壓下檢測到小的差分電壓。其中一些應(yīng)用需要電流隔離，而另一些則不需要。一些應(yīng)用使用模擬控制，其他應(yīng)用使用數(shù)字控制。將考慮這種測量的四種情況，每種情況都需要獨(dú)特的考慮因素。它們是：

帶模擬輸出的電流隔離;

帶數(shù)字輸出的電流隔離;

無電流隔離，模擬輸出;

無電隔離，數(shù)字輸出。

差分信號與共模信號

圖1顯示了測量系統(tǒng)的輸入。 V DIFF 表示感興趣的信號差分電壓。 V CM 表示共模 電壓，其中不包含有關(guān)測量的有用信息，實(shí)際上可能會降低測量精度。共模電壓可以是測量系統(tǒng)的隱含部分，如在電池單元電壓監(jiān)視應(yīng)用中，或者它可以由傳感器意外地與高電壓接觸的故障條件產(chǎn)生。在任何一種情況下，該電壓都是不需要的，測量系統(tǒng)的工作就是拒絕它，同時(shí)響應(yīng)差模電壓。

共模抑制（CMR）

測量系統(tǒng)具有差模增益和共模增益。差模增益通常大于或等于1，而共模增益理想地為零。電阻不匹配會導(dǎo)致反相輸入的直流增益與同相輸入的直流增益略有不同。反過來，這會導(dǎo)致直流共模增益非零。如果差分增益

在實(shí)際應(yīng)用中，外部干擾源比比皆是。拾音器將從交流電源線（50/60 Hz及其諧波），設(shè)備開關(guān)以及射頻傳輸源耦合。這種類型的干擾同樣被引入兩個(gè)差分輸入，因此表現(xiàn)為共模信號。因此，除高直流CMR外，儀表放大器還需要高交流CMR，特別是在線路頻率及其諧波處。直流共模誤差主要是電阻不匹配的函數(shù)。相反，交流共模誤差是反相和非反相輸入之間的相移或時(shí)間延遲差異的函數(shù)。通過使用匹配良好的高速元件可以最大限度地減少這些因素，并且可以使用電容器進(jìn)行微調(diào)。或者，在低頻應(yīng)用中，如果需要，可以使用輸出濾波。雖然通常可以通過校準(zhǔn)或修整來消除直流共模誤差。可能降低測量分辨率的AC共模誤差通常更受關(guān)注。所有ADI公司儀表放大器都完全適用于直流和低頻交流共模抑制。

電流隔離

某些應(yīng)用要求傳感器之間沒有直接電氣連接和系統(tǒng)電子。這些應(yīng)用需要電流隔離，以保護(hù)傳感器，系統(tǒng)或兩者。可能需要保護(hù)系統(tǒng)電子器件免受傳感器處的高電壓。或者，在需要本質(zhì)安全的應(yīng)用中，可能需要隔離傳感器激勵(lì)和電源電路以防止可能由故障狀況引起的火花或點(diǎn)燃爆炸性氣體。在醫(yī)療應(yīng)用中，例如心電圖（ECG），需要在兩個(gè)方向上進(jìn)行保護(hù)。必須保護(hù)患者免受意外電擊。如果患者的心臟停止跳動(dòng)，則必須通過緊急使用除顫器來保護(hù)ECG機(jī)器免受施加于患者的非常高的電壓，以試圖恢復(fù)心跳。

電流隔離也用于打破接地回路，即使兩個(gè)系統(tǒng)接地之間的小電阻也可能產(chǎn)生不可接受的高電位。這可能發(fā)生在精密轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，其中流過百分之幾歐姆的毫安電流可能產(chǎn)生數(shù)百微伏的接地誤差，這可能限制測量的分辨率。或者它可能發(fā)生在工業(yè)裝置中，數(shù)千安培的電流可能產(chǎn)生數(shù)百伏的接地誤差和潛在的危險(xiǎn)情況。

電流隔離可以使用磁場（變壓器），電場（電容器）或光（光隔離器）。每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但是，對于所有類型，通常需要隔離電源（或電池）來為隔離器的浮動(dòng)側(cè)供電。這可以很容易地與使用變壓器隔離柵的隔離器中的信號隔離相結(jié)合。其他方法可能需要單獨(dú)的變壓器耦合DC-DC轉(zhuǎn)換器，這會增加成本。

高阻抗與電流隔離

許多應(yīng)用需要能夠檢測到小的差分電壓。存在高共模電壓，但不需要本質(zhì)安全性或斷開電流隔離提供的接地回路的能力。這些應(yīng)用需要高CMR放大器，可以接受高共模電壓。這種類型的放大器，有時(shí)被稱為“窮人的隔離放大器”，將傳感器與系統(tǒng)隔離，具有高阻抗，而不是電流隔離屏障。雖然不是真正意義上的隔離，但它在某些應(yīng)用中可以以更低的成本實(shí)現(xiàn)相同的目的。此外，不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)由相同的電源供電。

圖2顯示了AD629，一種高共模電壓差放大器，專為這些類型的應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)。看起來很簡單。它只是一個(gè)運(yùn)算放大器和五個(gè)電阻器。用戶不能“滾動(dòng)自己”嗎？是的，但電阻必須匹配到0.01％以上，并且必須追蹤到高于3 ppm /°C。電阻自加熱會降低直流CMR，而電容性線路則會降低交流CMR。與8引腳DIP或SOIC相比，性能，尺寸和成本都將被犧牲。

諸如帶有需要電流隔離的模擬輸入和輸出的簡單工業(yè)過程控制回路等應(yīng)用可以使用AD202 / AD204。這些是完整的隔離放大器，在輸入和輸出級之間具有電流隔離。變壓器耦合意味著它們還可以為輸入級提供隔離電源，無需外部DC-DC轉(zhuǎn)換器。 AD202 / AD204提供非專用運(yùn)算放大器，用于輸入信號調(diào)理，增益為100時(shí)CMR為130 dB，CMV峰值為2000 V峰值。圖3顯示了AD202電路*，用于測量高達(dá)2000 V的共模電壓下的±5 V滿量程信號。對于需要隔離電橋激勵(lì)，冷端補(bǔ)償，線性化和其他信號的應(yīng)用 - 調(diào)節(jié)功能，3B，5B，6B和7B系列提供了一系列完整，隔離良好的信號調(diào)節(jié)器。

一些工業(yè)傳感器應(yīng)用需要電流隔離，并結(jié)合數(shù)字輸出智能傳感器。數(shù)字隔離而非模擬隔離可以更經(jīng)濟(jì)高效地使用，但需要外部DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是電動(dòng)機(jī)控制，其中電動(dòng)機(jī)中的故障狀況可能破壞控制電子設(shè)備。可以使用AD7742同步電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換器，以及光耦合器和DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。遠(yuǎn)程AD7742可以與系統(tǒng)微處理器或微控制器連接以完成A / D轉(zhuǎn)換。對于獨(dú)立應(yīng)用，可以使用串行輸出AD7715模擬前端，一個(gè)16位sigma-delta A / D轉(zhuǎn)換器，但它有五條數(shù)字線隔離，而不是V / F的單一數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器。然而，可以使用具有自己的板載變壓器的AD260五通道高速邏輯隔離器，而不是五個(gè)光耦合器和一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖5顯示了AD7715和AD260。

當(dāng)不需要電流隔離時(shí)，情況變得更加簡單。這種類型的應(yīng)用的一個(gè)例子是電池單元電壓監(jiān)測。 AD629既可用于測量單個(gè)電池的電壓，也可用于抑制串聯(lián)電池堆棧提供的共模電壓。不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)殡娮?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)的高阻抗保護(hù)運(yùn)算放大器的輸入，即使其電源電壓遠(yuǎn)低于共模電壓。圖6顯示AD629測量1.2 V電池的電壓，該電池是120 V電池的一部分。

最后，有些應(yīng)用不需要電流隔離，但需要數(shù)字輸出。該應(yīng)用的一個(gè)例子是微處理器控制的電源的供電電流監(jiān)控。 AD629與AD7887 12位ADC配合使用。 AD629提供信號調(diào)理和共模抑制，而AD7887則提供數(shù)字輸出。同樣，由于AD629的高輸入阻抗和共模衰減，因此無需DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖7顯示了AD629 / AD7887在電源電流監(jiān)測應(yīng)用中的應(yīng)用。

這些圖是說明性示例;它們不是測試應(yīng)用程序的詳細(xì)原理圖。有關(guān)更多信息，請參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。您還可以找到在線研討會筆記，實(shí)用模擬設(shè)計(jì)技術(shù)和傳感器信號調(diào)節(jié)實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)（可從ADI獲得）這本書，作為設(shè)計(jì)信息的有用來源。使用高壓電路時(shí)要格外小心