了解隔离式精密信号链

隔离式精密信号链是一种旨在精密准确地采集和处理信号，同时与周围环境保持电气隔离的系统或电路。隔离通常是一系列信号调理级的一部分，主要有两个关键作用：确保安全性和数据完整性。除此之外，隔离还具备诸多优点：

减少噪声和干扰：信号链采用隔离技术，如使用变压器或光耦合器实现电气隔离，能够有效消除共模电压变化、接地环路和电磁干扰（EMI）。这种隔离方式可防止外部噪声源对采集的信号造成破坏，从而确保测量结果更加干净、准确。

消除接地环路：接地环路可能会引入电压差，导致测量信号失真。隔离技术通过断开接地环路，能有效消除地电位变化引起的干扰，进而提高测量准确度。

安全和保护：隔离栅能够防止危险的电压尖峰、瞬变或浪涌到达敏感的测量元器件，确保电气安全。这不仅能保护测量电路和相连器件，使系统安全可靠地运行，还能保护在系统上工作的最终用户和设计人员，避免他们遭遇电气危险。

隔离式精密信号链由一系列元器件和技术组成，它们协同工作以确保精确测量和数据完整性。其关键元器件通常包括精密放大器、隔离栅、滤波元件和高分辨率模数转换器（ADC）。这些元器件相互配合，能够消除噪声、减少干扰并提供准确的表现信号。图1展示了采用这些关键元器件的隔离式精密信号链示例，该精密平台是一个单通道、完全隔离、低延迟的数据采集系统，它将PGIA信号调理、数字和电源隔离集成到了一个紧凑的电路板内。接下来，我们将详细探讨每个模块的性能以及与非隔离模块相比的优势。

（图1.单通道、完全隔离、低延迟数据采集系统ADSKPMB10-EV-FMCZ的简化框图）

数据和电源隔离

Pmod™至FMC转接板装有数据隔离器、稳压器和变压器，用于实现电气隔离。电气隔离是一种分离电路以消除杂散电流的设计技术，有助于在电气隔离的电路之间传递信号，并阻挡杂散电流（例如由地电位差或交流电源引入的电流）。

数据隔离：通过ADuM152N和ADuM120N3kVrms数据隔离器实现数据隔离。这些数据隔离器具有较高的共模瞬变抗扰度（CMTI），对辐射和传导噪声具有很强的抗干扰能力，同时传输延迟和动态功耗均很低。与光耦合器等典型替代品相比，它们不仅易于使用，还具有优越的性能特性。具体而言，最大传输延迟为13ns，脉冲宽度失真小于5ns，且通道间传输延迟匹配非常严格，最大值分别为4.0ns和3.0ns。

电源隔离：隔离式精密信号链需要一套满足信号链要求的隔离电源电路，且该电路不应影响精密信号链的性能。设计时必须确保电源电路辐射很低，同时还要高效，并且符合安全要求。LT3999低噪声推挽式DC-DC驱动器是用于电源隔离的理想选择，它内置限流值可编程的1A双通道开关，开关频率可在50kHz至1MHz范围内调节（也可同步至外部时钟），工作输入范围为2.7V至36V，关断电流小于1µA。推挽拓扑结构易于设计和实施，仅使用少量元件，并且由于其固有的对称拓扑结构，工作时的电磁辐射骚扰非常低。

如图2所示，参考平台上的电源电路设计，使得FMC连接器的12V电压可以作为数据采集板所需的电源，同时实现隔离。为了实现这些目标，电路上的LT3999驱动脉冲电子PH9085.083NL2.5kVrms隔离电源变压器。

（图2.参考平台隔离电源电路框图）

LT3999电源转换器产生未经稳压处理的输出电压，该输出电压会随着负载的增加而下降，如图3所示。

（图3.LT3999推挽转换器输出电压调节）

参考平台可选配一个低压差后级线性稳压器（ADP7105），以便在需要时提供稳定的3.3V输出。因此，通过转接板对整个测量或数据采集电路进行电气隔离，可以有效降低共模电压变化和外部噪声源的影响，这证明该方法是一种准确、经济、高效的测量电路隔离方法。

保持准确度

除了实施隔离技术外，信号链内部的模块也必须严格匹配。每个元器件都会影响整个信号链的性能，这对于保持整个系统的准确度至关重要。

精密放大器：兼具高准确度、低噪声和低失调电压等特点，能够提供精确的信号调理和放大功能，确保真实地呈现所采集的信号，而不会引入额外的失真或偏移。

滤波元件：通常采用低通滤波器等滤波元件来衰减高频噪声和不需要的信号，只允许所需的信号通过信号链，进一步提高了测量信号的准确度和完整性。

高分辨率ADC：使用高分辨率ADC将模拟信号转换为数字格式，以供进一步处理或分析。这些ADC具有高采样速率和出色的分辨率，能够对模拟信号进行精确的数字化处理。

具体来说，参考平台内的数据采集板展示了一种由多个器件组成的分立式可编程增益仪表放大器（PGIA），包括：

ADA4627-1：高速、低噪声、低偏置电流、JFET运算放大器

LT5400:精密四通道匹配电阻网络

ADG1209:低电容、4通道、±15V/+12ViCMOS®多路复用器

ADAQ4003的内部全差分放大器（FDA）ADC驱动器

前端的PGIA提供高输入阻抗，从而支持与各种传感器直接连接。为使电路适应不同的输入信号幅度（单极性或双极性和单端或差分信号，具有可变共模电压），通常需要可编程增益。PGIA与18位、2MSPS、µModule®数据采集解决方案ADAQ4003配合使用。图4为该参考平台的整个信号链。

（图4.精密中等带宽信号链）

为了验证参考平台的静态性能，我们分别测量了积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）。图5和图6展示了不同增益下DNL和INL误差与代码的关系。DNL误差的典型偏差为±0.6LSB，这意味着无失码的单调转换函数。同时，INL误差的典型偏差为±2.097LSB，呈现明显的S形，表明奇次谐波占绝对主导地位。这些图形表明，整个信号链具有足够高的线性度。

（图5.不同增益下DNL与代码的关系，VREF=5V.）

（图6.不同增益下INL与代码的关系，VREF=5V.）

在信号链中采用精密放大器、信号调理技术和高分辨率ADC，能够有效降低信号失真、偏移和非线性，从而实现高准确度测量。前面讨论的电气隔离技术进一步降低了共模电压变化，并消除了接地环路效应，从而确保测量信号的准确性。

尽量减少噪声和干扰

来自元器件或外部的噪声和干扰是数据采集中常见的挑战。隔离式精密信号链通过采用稳健的隔离栅、屏蔽、接地和滤波技术来解决这些问题。μModuleADAQ4003本身采用了降噪技术，支持高保真信号捕获。

低通RC滤波器：μModule器件内部的ADC驱动器输出和ADC输入之间放置了一个单极点低通RC滤波器，其作用包括消除高频噪声、减少来自内部SARADC输入的电荷反冲以及尽可能提高建立时间和输入信号带宽。

布局优化：μModule器件的布局确保了模拟和数字路径分离，从而避免这些信号交越，减轻辐射噪声。

许多动态参数都会影响到特定数据采集系统的性能，本文主要讨论其中三个：

动态范围

：指器件本底噪声与其额定最大输出水平之间的范围，对于确定不受噪声影响的最小电压增量至关重要。该参数使用5V基准电压进行测试，输入短接到地，输出数据速率为2MSPS。图7展示了不同增益下的动态范围，最高增益设置下的典型值为93dB；最低增益设置下的典型值为100dB。将过采样率增加到1024倍可进一步改善测量结果，最大值分别达到123dB和130dB。

（图7.动态范围）

使用相关公式求解折合到输出端的等效总噪声，结果低至1.12µVrms（OSR=1024×，最低增益设置）。因此，动态范围测量结果较大，意味着整体系统噪声较低。

信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）

：在器件的反相和同相输入端施加-0.5dBFS正弦信号，测量SNR和THD等参数。SNR是指均方根信号幅度与所有其他频谱分量（不包括谐波和直流）的和方根（rss）平均值之比；总谐波失真是指基波信号的均方根值与其谐波（一般仅前五次谐波比较重要）的和方根平均值之比。图8和图9显示了不同增益设置下的SNR和THD值。整个信号链实现了最大98dB的SNR和-118dB的THD。不过，这些参数在高输入频率和高增益设置下会变差。图10也显示了一个FFT示例。隔离信号链的本底噪声平坦，约为满量程以下140dB，杂散信号埋在其下方。这表明，与等效的非隔离信号链相比，隔离信号链实现了一致的信号完整性和噪声性能。

（图8.SNR）

（图9.THD）

（图10.单次捕获FFT，全差分输入，-0.5dBFS，1kHz正弦波）

应用和影响

隔离式精密信号链的影响广泛涉及各行各业和各种应用。在物理、化学和生物等领域的科学研究中，由于对准确度和可重复性的要求非常高，隔离式精密信号链有助于实现精确测量。在工业自动化领域，它能够确保过程控制、质量监测和设备诊断准确无误。在医疗应用方面，它支持精确监测生理信号并进行准确诊断。其影响还延伸到了环境监测、能源管理和电信等领域，因为可靠的数据采集对于这些领域的决策和优化至关重要。

浮动DAQ系统

浮动DAQ系统非常适合用于电子测试和测量（ETM）应用。常见的电压测量涉及两个基准点：高电位和低电位/零电位（称为接地）。然而，使用接地作为基准会使高压测量变得危险。具有高共模电压的信号会损害信号链中的元器件，进而可能导致设备和数据损坏。高电压也会对使用设备的人员造成危险。此外，接地环路引入的噪声、耦合和干扰也会影响接地系统，令人担忧。

浮动DAQ通过单独的基准浮动接地点解决了上述风险。浮动测量能够缩短信号传输到采集点的路径，同时允许采集带有共模电压的信号。在图11中可以看到电路板上的不同接地引脚。

（图11.具有多个浮动接地参考点的ADSKPMB10-EV-FMCZ板）

结论

隔离式精密信号链对数据采集至关重要，它能够保持准确度、尽量减少噪声和干扰并确保数据完整性。结合精密放大功能、隔离技术、高分辨率ADC和低噪声、低辐射电源管理，即使在非常恶劣的环境中，它也能实现精确测量。隔离式精密信号链影响着各行各业，推动了科学研究、工业自动化、医疗健康等领域的进步。随着社会越来越重视准确、可靠地采集数据，隔离式精密信号链的重要性日益显著，不仅驱动着技术创新，更充分释放了数据驱动应用的潜力。