信號隔離技術(shù)

信號隔離使數字或模擬信號在發(fā)送時(shí)不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發(fā)送和接收端外的地或基準電平之差值可以高達幾千伏，并且防止了可能損害信號的不同地電位之間的環(huán)路電流。信號地的噪聲可使信號受損。隔離可將信號分離到一個(gè)干凈的信號子系統地。在另一種應用中，基準電平之間的電連接可產(chǎn)生一個(gè)對于操作人員或病人不安全的電流通路。信號的性質(zhì)可以為電路設計人員指明系統可考慮的那些正確的IC。

第一類(lèi)隔離器件依賴(lài)于無(wú)發(fā)送器和接收器來(lái)跨越隔離屏障。這種器件曾用于數字信號，但線(xiàn)性化問(wèn)題迫使模擬信號隔離采用變壓器，用調制載波使模擬信號跨越這個(gè)屏障。變壓器怎么說(shuō)總是難弄的，而且通常不可能制成IC，所以想出了用電容器電路來(lái)耦合調制信號以跨越屏障。作用在隔離屏障上的高轉換率瞬態(tài)電壓可做為單電容屏障器件的信號，所以已開(kāi)發(fā)出雙電容差分電路以使誤差最小?，F在電容屏障技術(shù)已應用在數字和模擬隔離器件中。

隔離串行數據流

隔離數字信號有很大選擇范圍。假若數據流是位串行的，則選擇方案范圍從簡(jiǎn)單光耦合器到隔離收發(fā)器IC。主要設計考慮包括：

·所需的數據速率

·系統隔離端的電源要求

·數據通道是否必須為雙向

基于LED的光耦合器是用于隔離設計問(wèn)題的第一種技術(shù)?，F在有幾件基于LED IC可用，其數據速率為10Mbps及以上。一個(gè)重要的設計考慮是LED光輸出隨時(shí)間減小。所以在早期必須為L(cháng)ED提供過(guò)量電流，以使隨時(shí)間推移仍能提供足夠的輸出光強。因為在隔離端可能提供電很有限，所以需要提供過(guò)量電流是一個(gè)嚴重的問(wèn)題。因為L(cháng)ED需要的驅動(dòng)電流可以大于從簡(jiǎn)單邏輯輸出級可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅動(dòng)電路。

對于高速應用和在邏輯信號控制下使數據流反向轉送的情況，可用Burr-Brown公司的ISO 150數字耦合器。圖1示出ISO150的雙向應用電路。通道1控制通道2的傳送方向，并配置為從A端傳送到B端。加到DIA引腳的信號確定信號的流向。送到B端的高電平把通道2的那一端置為接收模式。而加到通道2A端Mode引腳的低電平則把通道置成發(fā)送模式。方向信號的狀態(tài)在隔離屏障的兩邊都有。此電路可工作在80MHz的數據率下。

位串行通信的第二種變形是正在發(fā)展中的差分總線(xiàn)系統裝置。這些系統由RS-422、RS-485和CANbus標準描述。某些系統很幸運地具有公共地，而很多系統具有不同電位的結點(diǎn)。當兩結點(diǎn)相隔一定距離時(shí)，情況就更是如此。Burr-Brown公司的ISO 422是設計成用于可有這些應用的集成全雙工隔離收發(fā)器。此收發(fā)器可配制為半雙工和全雙工（見(jiàn)圖2）。傳輸率可達2.5Mbps。此器件甚至還包含了環(huán)路（Loop-back）測試功能，所以每個(gè)結點(diǎn)都可執行自測試功能。在此模式期間，總線(xiàn)上的數據被忽略。

隔離并行數據總線(xiàn)系統

并行數字數據總線(xiàn)的隔離將增加三個(gè)更主要的設計參量：

·總線(xiàn)的位寬度

·容許的偏移度

·時(shí)鐘速度要求

用一排光耦合器可完成這種任務(wù)，但支持電路可能很龐雜。光耦合器之間的傳播時(shí)間失配將導致數據偏移，從而引起在接收端的數據誤差。為使這種問(wèn)題減至最小，ISO508隔離數字耦合器（圖3）支持在輸入和輸出端的雙緩沖數據緩存。這種配置將以2MBps的速率傳輸數據。

ISO508有兩種工作模式。當CONT引腳被置成低態(tài)時(shí)，在LE1信號的控制下，數據以同步模式被傳送穿越屏障。在LE1高態(tài)時(shí)，數據從輸入引腳傳送到輸入鎖存。當LE1變低態(tài)時(shí)，數據字節開(kāi)始傳輸穿越屏障。在此時(shí)間，輸入引腳可用于下一代數據字節。在此模式下，可傳送的數據率可達2MBps。

當CONT引腳被置成高態(tài)時(shí)，數據在器件內部20MHz時(shí)鐘的控制下被跨越屏障發(fā)送。數據傳輸對外部鎖存使能信號是異步的。數據以串行形式從輸入鎖存被選通到輸出鎖存。在一個(gè)字節傳輸完成后，整個(gè)字節移入輸出鎖存，輸出鎖存將對已傳輸的數據字節去偏移。對于完整的8位字節，傳播延遲將小于1ms。

模擬信號隔離

在很多系統中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量完全不同于數字信號。模擬信號通常先要考慮：

·精度或線(xiàn)性度

·頻率響應

·噪聲考慮

電源要求，特別是對輸入級，也應該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線(xiàn)性度不能依靠相應的應用電路來(lái)改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級電源要求。

Burr-Brown的ISO124使模擬隔離簡(jiǎn)化。輸入信號被占空度調制并以數字方式發(fā)送跨過(guò)屏障。輸出部分接收被調制的信號，把它變換回模擬電壓并去掉調制/解調過(guò)程中固有的紋波成分。由于對輸入信號的調制與解調，所以應遵循采樣數據系統的一些限制。調制器工作在500kHz的基頻上，所以高于250kHz Ngquist頻率的輸入信號在輸出中呈現較低的頻率分量。

盡管輸出級去掉了輸出信號中載波頻率的大多數，但仍然有一定量的載波信號存在。圖4示出了降低系統其余部分中高頻噪聲污染的組合濾波方法。電源濾波器能顯著(zhù)地降低從電源引腳竄入的噪聲。輸出濾波器是一個(gè)Q為I、3dB頻率為50kHz的二極Sallen-key級。這使輸出紋波降低5倍。

對隔離電壓的另一問(wèn)題是輸入級所需的功率。輸出級通常以機殼或地為基準，而輸入通常浮動(dòng)在另一個(gè)電位上。因此，輸入級的電源也必須隔離。通常用一個(gè)單電源，而不是理想中使用的+15V和-15V電源。

圖5示出在ISO124輸入級的一個(gè)單電壓電源結合使用1NA2132雙差分放大器，可將擺幅提升到輸入信號電平的全范圍。唯一的要求是輸入端電源電壓保持大于9V，這是ISO124輸入電壓所需要的。

INA2132的下半部產(chǎn)生一個(gè)VS+電源的一半的輸出電壓。此電壓用作INA2132另一半的REF引腳和ISO124的GND輸入是偽地。INA2132的差分輸入信號的擺幅可以高于或低于新參考電平。ISO124的輸出與輸入一樣，將是完全雙極性的。

隔離用的多功能IC

新的多功能數據采集IC使設計人員有機會(huì )在跨越隔離屏時(shí)完成多個(gè)任務(wù)。一個(gè)完整的數據采集器件可包含多路模擬開(kāi)關(guān)，可編程增益儀表放大器、A/D轉換器和一個(gè)或多個(gè)數字I/O通道。所有這些功能都是通過(guò)一個(gè)串行數據口進(jìn)行控制的。Burr-Brown公司的ADS7870就是這樣的一種器件。ADS7870與ISO150一起工作得很好，并示于圖6。

在此應用中，ADS7870的每個(gè)可編程功能都置于主微處理器的控制之下，而該微處理器本身的控制是通過(guò)串行通信口寫(xiě)命令到寄存器來(lái)實(shí)現的?？刂铺匦园ǎ?BR>
·多路器的選擇

·4個(gè)差分通道或8個(gè)單端通道

·可編程儀表放大器的增益設置，1～20

·12位A/D轉換的初始化

此器件的4條數字I/O線(xiàn)也是有用的，可被個(gè)別地規定為報告數字信號的狀態(tài)或輸出數字信號。這允許隔離某些支持功能，如通過(guò)同一ISO150擴展信號多路器的電平或錯誤標志讀出。

結語(yǔ)

有很多器件可供設計人員選用，并使用在系統中地電位有很大差別的設計中。每一種器件都是針對獨特系統要求而設計的。新器件性能集成的高水平使得跨越隔離屏障能實(shí)現從前做不到的更復雜的操作。