隔离电路在测量控制系统中的应用

摘　要:

电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制噪声干扰的效果,使电子电气设备符合电磁兼容性的要求。通过对测量电路中几种常用的隔离电路的分析，揭示这些隔离电路实现抑制噪声并使设备符合电磁兼容性的要求。

1　引言

工业过程控制和数据采集过程中,被测量或控制的对象的参数往往是温度、压力、液位、流量等物理量。这些连续变化的物理量经过传感器采集放大和A /D 转换后, 与数据处理系统 ( 计算机) 相连。但是在进行现场测量时,各种电磁干扰信号都会随着被测量信号进人测量系统中,这些干扰信号即噪音叠加在有用的被测信号上,使测量的准确度降低。另一方面,由于测量系统与被测信号共地产生的干扰也造成测量系统的精度和稳定稳定性降低，影响系统的正常工作, 严重时将导致死机。解决模拟信号通道引入噪音的一个有效的方法就是采用隔离技术，即将产生噪音的噪音源与测量系统隔离开来。

2，电路隔离分类

数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离;而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离、高频变压器隔离(个别情况下采用)；模拟电路的隔离比较复杂,要考虑模拟信号的精度、线性度、频率响应、噪声响应等,特别要考虑系统对传 输通道的精度要求,对精度要求越高,其通道的成本也可能越高。模拟电路的隔离主要采用变压器、互感器、直流电压隔离器、线性隔离放大器等隔离方法。

3，数字电路隔离

数字电路隔离有很多种方法，这里探讨的是在工业测控领域常用的隔离方法，光耦隔离和脉冲变压器隔离。

3.1，光耦隔离

光耦隔离是常用且方便有效的隔离方法,它是通过光电之间相互转换,使测量系统与现场信号在电气上隔离开,保证系统的安全。通常低速数字 I/O 信号采用光耦器件进行隔离。通过光耦器件隔离后将不同幅值的输入信号转换为标准 TTL 电平信号，并将通用平台输出的 TTL 信号转换为与被测部件兼容的电平信号。这种隔离目的：是外部电信号与内部电路隔离，或者控制电路电信号与输出高电压大电流信号隔离，如下（a）、（b）图所示。

(a) 外部输入与内部电路的隔离             (b)控制输出与外部电路的隔离

目前,大多数光电耦合器件的隔离电压都在2.5kV以上,有些器件达到了8kV,既有高压大 电流大功率光电耦合器件,又有高速高频光电耦合器件(频率高达10MHz)，这些都是在选型的时候要根据设计应用需求而定。

3.2，脉冲变压器隔离

脉冲变压器是一种宽频变压器，初级与次级隔离。前级与后级互不成回路，要求波形传输时不失真，也就是要求波形的前沿，顶降都要尽可能小。由于脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时不传递直流分量,因而在测量控制系统中得到了广泛应用。一般来说,脉冲变压器的信号传递频率在1kHz～1MHz之间,新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。典型电路如下（a）、（b）图所示。

(a)高频脉冲隔离应用 (b)隔离开关电源中的应用

4，模拟电路隔离

在工业控制中常用到的隔离有直流电源隔离和线性放大信号隔离，这里就探讨这俩种模拟隔离。

4.1，直流电源隔离

一种是直流电源DC/DC隔离模块的使用，如下图所示，26V直流电源输入，产生+15V的隔离电源输出。

另一种是专业的隔离控制IC,如MAX13256  为H桥变压器驱动器，可以设计出高达10W的可调电压的隔离电源。

4.2，线性放大信号隔离

具有直流分量和共模噪声干扰比较严重的场合,模拟信号的测量和控制系统必须对输入与输出之间进行隔离,以消除噪声的耦合。隔离可使模拟信号的测量、控制系统有如下好处:

（1）防止模拟系统干扰,尤其是电力系统的接地干扰进入逻辑系统,导致逻辑系统的工作紊乱。

（2）在精密测量系统中,防止数字系统的脉冲波动干扰进入模拟系统,尤其是前置放大部分,因为前置放大部分的信号非常微弱,较小的骚扰波动信号就会把有用信号淹没。

一种是对于高电压大电流信号的隔离一般采用互感器隔离。如下图所示：

另外一种是微电压微电流隔离隔离方法，微电流模拟信号的隔离系统相对来说比较复杂,既要考虑其精度、频带宽度、温漂等因素的影响，又要考虑其价格因素，对于具有较大的共模噪声,且测量精度要求比较高的场合,应采取专门的隔离措施，可选择高精度线性隔离放大器。

5，结束语

一般来说隔离电路的设计主要出于两种考虑：第一，保护被测电路和测试电路，使其不至于因测试电路或被测电路的故障而影响整个系统的工作。第二，减小环境噪声对测试电路的影响。为保护后级设备、保证测量结果的有效性，测试电路与被测电路必须做到严格的电气隔离，隔离电路应具有较高的精度，但是同时也要考虑电路的成本和体积也要符合工程需要。

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参考文献

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