可消除USB數據采集模塊潛在危險的方法

我們來(lái)更仔細分析這些應用環(huán)境，從每個(gè)案例中了解隔離的作用。

案例1： ESD、閃電或電源浪涌

圖1展示了一個(gè)典型的應用場(chǎng)景，其中一個(gè)傳感器正在測量待測設備的電壓。該傳感器一頭連接到USB數據采集模塊，另一頭連接到PC。

ESD、閃電以及電源浪涌產(chǎn)生突發(fā)的瞬時(shí)過(guò)壓，即使時(shí)間很短，也可能損害整個(gè)系統中的電子元件。如果USB數據采集模塊沒(méi)有隔離(見(jiàn)圖2)，這些事件產(chǎn)生的電流回流通過(guò)整個(gè)系統，最后到達PC并且可能損害PC和其他系統部件。

一些數據采集方案供應商所提供的未隔離模塊在出現瞬時(shí)過(guò)壓時(shí)事實(shí)上會(huì )鎖死整個(gè)系統，從而不得不重啟系統。在測量應用中這種行為是不能接受的。

與之對比的是，隔離的模塊(圖3中顯示)通過(guò)模塊的地平面釋放有害的電流，來(lái)保護整個(gè)系統。

即使引入的瞬時(shí)電壓很小不足以損害系統，也要小心你的數據可能包含很大的錯誤，特別在高分辨率的情況下。例如，如果使用具有16位分辨率的USB模塊來(lái)測量±10V 電壓范圍的信號，LSB值是0.31mV(見(jiàn)表1)。如果這個(gè)模塊未隔離，同時(shí)電氣系統中出現瞬時(shí)電壓，數據因此可能偏差數百毫伏。甚至在靜態(tài)環(huán)境中，你的數據也可能偏差幾十毫伏。當測量低電平的信號時(shí)這算得上是巨大的差錯。

如果需要高精度、低噪聲的測量，隔離至關(guān)重要。Data Translation公司所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，都提供高達500V的電氣隔離。電氣隔離把輸入信號中的能量轉化成輸出信號在模塊的地平面上流走。結果，你的計算機保持安全，測量結果更加精確。

以DT9801模塊為例，通過(guò)使用下列的元件提供高達500V的電氣隔離：

1.變壓器：從無(wú)延遲的快速時(shí)鐘信號中轉換能量；

2.光隔離器：從帶有幾十毫秒延遲的較慢的控制信號中轉化能量；

3.差分容性耦合：從帶有1毫秒延遲的慢速數據通道中轉化能量。

案例2 ：不同的地電位

單端模擬輸入是參考大地的未隔離的輸入。在未隔離系統中，甚至數字I/O信號都連到同樣的地上。如果待測系統和USB數據采集模塊共享同樣的地(通過(guò)連到建筑物的電源系統)，兩個(gè)設備地電位間的差別是實(shí)際存在的(超過(guò)100mV)?？焖匍_(kāi)關(guān)電流必須沿著(zhù)5米長(cháng)的USB線(xiàn)纜流到PC。

根據如何將單端輸入連接到該模塊，你可能引入地環(huán)路誤差，即當在最長(cháng)達5米的USB線(xiàn)纜中添加信號和其他地電位時(shí)，不僅僅帶來(lái)了高度不準確的測量結果，而且還可能會(huì )損害待測系統。圖5顯示了不恰當的單端輸入連接實(shí)例。

圖6是更好的單端輸入的連接方案，能減少地環(huán)路誤差。

為了最精確的測量結果，可使用差分輸入(顯示在圖7中)。差分輸入是帶隔離的輸入，因為它們參考的地參考點(diǎn)不連接到大地上。結果，它們消除了共模電壓誤差，這種誤差會(huì )在地電位差出現時(shí)發(fā)生。

因此，如果你正在測量低電平的信號，這種情況下噪聲是測量中非常重要的環(huán)節?；蛘呷绻材ｋ妷捍嬖?，則要確保USB數據采集模塊提供差分輸入連接。Data Translation所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，提供了上至8或16個(gè)差分輸入連接以提供最大程度的地環(huán)路保護。

案例3：良好的情況下

在良好的環(huán)境中，瞬時(shí)電氣信號毛刺和地電位差不存在，因此不需要隔離。在未隔離的系統中，PC直接與傳感器的地系統相連，所以只要沒(méi)有噪聲或其它誤差加到電壓源上，測量就會(huì )是準確的。

盡管未隔離的解決方案購買(mǎi)時(shí)可能會(huì )更便宜，但測試與測量應用很少是處于良好情況。所以要小心，如果你選擇了未隔離的解決方案，可能會(huì )導致可估算的后端成本，這是由于數據不夠準確或系統出現故障引起的額外開(kāi)支。