當(dāng)使用熱電偶測量電機(jī)溫度時(shí)，會產(chǎn)生毫伏級電壓。如果這些電壓通過幾米長的電纜傳輸?shù)絽⒖疾煌仉娢坏闹醒肟刂茊卧瑴y量信號會因電位差而失真。

如果我們總結(jié)上述現(xiàn)象，就會出現(xiàn)以下四個(gè)挑戰(zhàn)：

危險(xiǎn)電壓與用戶之間的安全屏障

空間電路之間的接地環(huán)路分離

化共模干擾

無干擾的數(shù)據(jù)傳輸

圖 1 以圖形方式顯示了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的情況。為了滿足屏蔽用戶危險(xiǎn)電壓的要求，同時(shí)保證無干擾的數(shù)據(jù)傳輸，必須實(shí)施電流隔離，以電氣方式（即在電位方面）分離各個(gè)區(qū)域，以便它們可以獨(dú)立工作，從而不受干擾。數(shù)據(jù)流通過數(shù)字隔離器運(yùn)行。但是，電流隔離可以防止干擾和電位均衡電流。

用于分離不同電位的孤立系統(tǒng)的基本概念。

圖 1：分離不同電位的隔離系統(tǒng)的基本概念

電池電壓的隔離測量

物理參數(shù)的分散記錄是目前的技術(shù)。然而，記錄物體上的數(shù)據(jù)通常是一個(gè)挑戰(zhàn)，而且無線傳輸數(shù)據(jù)通常是不可能的。必須以這樣的方式將數(shù)據(jù)記錄在物體上，即探頭不會影響要測量的變量；否則，就會出現(xiàn)測量誤差。這需要電氣去耦，必須在電路中實(shí)現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)的有線傳輸必須是無電位和對稱的，這樣傳輸就不會受到電磁耦合和接地環(huán)路的干擾。在這個(gè)應(yīng)用中，我們刻意避免使用微控制器，以證明使用模擬電路技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大、無干擾的設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)分為兩個(gè)電路：發(fā)射器和接收器。傳感器可以檢測±30 V的直流電壓，波動周期為一秒。電流消耗已被化，在15 V電源的情況下，發(fā)射器的電流<85 mA，接收器的電流<25 mA。發(fā)射器和接收器都是電氣隔離的——發(fā)射器位于測量數(shù)據(jù)采集和信號傳輸路徑之間，接收器位于信號傳輸路徑和數(shù)據(jù)輸出之間。電路中使用了具有電流隔離和極低寄生耦合電容的特殊DC/DC電源模塊和數(shù)字隔離器來實(shí)現(xiàn)這種隔離。信號通過雙線電纜在發(fā)射器和接收器之間傳輸。根據(jù)電磁環(huán)境的影響，距離可以達(dá)到幾百米。

發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì)

圖2顯示了發(fā)射器的框圖。該電路分為六個(gè)塊：

探頭：帶有分壓器和放大器的測量傳感器，用于測量正負(fù)極性 (1)

電平轉(zhuǎn)換器：電壓頻率轉(zhuǎn)換器的電平轉(zhuǎn)換器（2）

電壓頻率轉(zhuǎn)換器：數(shù)字輸出信號，頻率取決于輸入電壓 (3)

數(shù)字隔離器：測量電位和接口之間的電氣隔離 (4)

接口緩沖器：帶平衡輸出的低阻抗線路驅(qū)動器 (5)

電源：DC/DC 轉(zhuǎn)換器，探頭部分電氣隔離轉(zhuǎn)換器 (6)

為了確保功能可靠性，探頭側(cè)和驅(qū)動器輸出端都提供了瞬態(tài)保護(hù)和濾波措施；DC/DC 電源模塊之前和之后還提供低通濾波器，以有效衰減射頻耦合。

無電位電壓測量發(fā)射器的框圖。

圖 2：無電位電壓測量變送器框圖

接收電路設(shè)計(jì)

圖3顯示了接收器的框圖。該電路分為五個(gè)塊：

輸入緩沖器：信號拾取，平衡輸入的信號調(diào)節(jié)。鏈路檢測器指示與發(fā)射器 (1) 之間是否有可檢測的連接。

數(shù)字隔離器：輸入信號與二次信號處理/輸出接口之間的電氣隔離。輸入側(cè)緩沖器的附加電氣隔離電壓（2）。

頻率-電壓轉(zhuǎn)換器：從數(shù)字信號生成輸出電壓。電壓水平取決于輸入信號的頻率 (3)。

帶極性顯示的接口緩沖器：輸出信號的電平轉(zhuǎn)換器。輸出信號具有正極性，極性指示器顯示輸入信號的極性（4）。

電源：二次電源采用DC/DC轉(zhuǎn)換器（5）。

接收器部分還提供了許多 EMC 措施。來自雙絞線電纜的信號輸入配備瞬態(tài)保護(hù)和共模濾波器，以有效衰減來自電纜的干擾。DC /DC 轉(zhuǎn)換器周圍的電源在輸入和輸出側(cè)均配備低通濾波器，以顯著降低由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作引起的來自電路外部和內(nèi)部的電磁干擾。這確保了高信噪比和高水平的功能可靠性。

無電位電壓測量接收器的框圖。

圖3：無電位電壓測量接收器框圖

電容式數(shù)字隔離器

Würth Elektronik 1,2的數(shù)字隔離器由初級側(cè)的振蕩器和調(diào)制器組成。次級側(cè)上有一個(gè)解調(diào)器和一個(gè)信號緩沖器。初級側(cè)上的組件通過電容結(jié)構(gòu)與次級側(cè)上的組件電氣隔離，該電容結(jié)構(gòu)具有由 SiO 2制成的隔離屏障。信號通過稱為開關(guān)鍵控 (OOK) 的調(diào)制過程傳輸?shù)礁綦x屏障上。集成在芯片中的振蕩器用于調(diào)制輸入信號，該信號通過施密特觸發(fā)器運(yùn)行。調(diào)制器生成差分信號，該信號通過電容絕緣線傳輸。

數(shù)字隔離器領(lǐng)域已確立兩種通信結(jié)構(gòu)：基于邊緣和 OOK。原則上，它們可視為等效方法。但是，根據(jù)應(yīng)用要求，兩種架構(gòu)之間的差異可能會影響決策。

采用基于邊沿的架構(gòu)，一旦激活數(shù)據(jù)信號，輸入和輸出狀態(tài)就不再被采樣。如果發(fā)生電源故障或數(shù)據(jù)信號故障，這種行為可能會導(dǎo)致錯(cuò)誤。因此，基于邊沿的方法需要集成刷新電路，以限度地降低這些條件下出現(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，并在輸出端放大輸入狀態(tài)。

使用 OOK 時(shí)，輸入變量會通過隔離屏障連續(xù)采樣和傳輸。由于輸入連續(xù)采樣，因此如果電源或輸入信號發(fā)生意外變化，輸出中不會出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。使用 OOK 時(shí)，不需要像基于邊緣的電路那樣使用額外的刷新電路。

因此，兩種方法之間的個(gè)區(qū)別是能耗。基于邊緣的架構(gòu)能耗較低，因?yàn)樗鼉H采樣，而 OOK 則需要能耗。