在存在大共模電壓的情況下測(cè)量小差分電壓

在電機(jī)控制、電源電流監(jiān)控和電池單元電壓監(jiān)控等應(yīng)用中，必須在存在高共模電壓的情況下檢測(cè)小差分電壓。其中一些應(yīng)用需要電流隔離，而其他應(yīng)用則不需要。一些應(yīng)用使用模擬控制，其他應(yīng)用使用數(shù)字控制。將考慮這種測(cè)量的四種情況，每種情況都需要獨(dú)特的考慮。它們是：

帶模擬輸出的電氣隔離;

帶數(shù)字輸出的電氣隔離;

無(wú)電流隔離，模擬輸出;

無(wú)電流隔離，數(shù)字輸出。

差分信號(hào)與共模信號(hào)

圖1顯示了測(cè)量系統(tǒng)的輸入。V差異表示差分電壓，即目標(biāo)信號(hào)。V厘米表示共模電壓，它不包含有關(guān)測(cè)量的有用信息，實(shí)際上可能會(huì)降低測(cè)量精度。共模電壓可以是測(cè)量系統(tǒng)的隱含部分，如電池單元電壓監(jiān)控應(yīng)用，也可能由傳感器意外接觸高壓的故障條件產(chǎn)生。無(wú)論哪種情況，該電壓都是不需要的，測(cè)量系統(tǒng)的工作是抑制它，同時(shí)響應(yīng)差模電壓。

圖1.具有差分和共模電壓的測(cè)量系統(tǒng)。

共模抑制 （CMR）

測(cè)量系統(tǒng)具有差模增益和共模增益。差模增益通常大于或等于1，而共模增益理想情況下為零。電阻失配會(huì)導(dǎo)致反相輸入的直流增益與同相輸入的直流增益略有不同。這反過來(lái)又導(dǎo)致直流共模增益不為零。如果差分增益

在實(shí)際應(yīng)用中，外部干擾源比比皆是。拾音器將從交流電源線（50/60 Hz 及其諧波）、設(shè)備開關(guān)以及射頻傳輸源耦合。這種類型的干擾在兩個(gè)差分輸入中均等地感應(yīng)，因此表現(xiàn)為共模信號(hào)。因此，除了高直流CMR之外，儀表放大器還需要高交流CMR，特別是在線路頻率及其諧波下。直流共模誤差主要是電阻失配的函數(shù)。相反，交流共模誤差是反相和同相輸入之間相移或時(shí)間延遲差異的函數(shù)。通過使用匹配良好的高速元件，可以最大限度地減少這些，并且可以用電容器對(duì)其進(jìn)行微調(diào)?；蛘?，在低頻應(yīng)用中，如有必要，可以使用輸出濾波。而直流共模誤差通?？梢酝ㄟ^校準(zhǔn)或調(diào)整來(lái)消除。交流共模誤差會(huì)降低測(cè)量分辨率，通常更值得關(guān)注。ADI公司的所有儀表放大器均完全針對(duì)直流和低頻交流共模抑制進(jìn)行額定。

電流隔離

某些應(yīng)用要求傳感器和系統(tǒng)電子設(shè)備之間沒有直接的電氣連接。這些應(yīng)用需要電氣隔離，以保護(hù)傳感器和/或系統(tǒng)?？赡苄枰Ｗo(hù)系統(tǒng)電子設(shè)備免受傳感器的高電壓的影響?；蛘?，在需要本質(zhì)安全的應(yīng)用中，可能需要隔離傳感器激勵(lì)和電源電路，以防止可能由故障條件引起的火花或爆炸性氣體的點(diǎn)燃。在心電圖 （ECG） 等醫(yī)療應(yīng)用中，需要雙向保護(hù)。必須保護(hù)患者免受意外電擊。如果患者的心臟停止跳動(dòng)，則必須通過緊急使用除顫器來(lái)保護(hù)心電圖機(jī)免受施加給患者的非常高的電壓，以嘗試恢復(fù)心跳。

電流隔離還用于斷開接地環(huán)路，即使兩個(gè)系統(tǒng)接地之間的小電阻也可能產(chǎn)生不可接受的高電位。這可能發(fā)生在精密轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，其中流過百分之幾歐姆的毫安電流可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)百微伏的接地誤差，這可能會(huì)限制測(cè)量的分辨率?；蛘咚赡馨l(fā)生在工業(yè)裝置中，其中數(shù)千安培的電流可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)百伏的接地誤差和潛在的危險(xiǎn)情況。

電流隔離可以使用磁場(chǎng)（變壓器）、電場(chǎng)（電容器）或光（光隔離器）。每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但是，對(duì)于所有類型的隔離電源（或電池），通常需要隔離電源（或電池）為隔離器的浮動(dòng)側(cè)供電。這可以很容易地與使用變壓器隔離柵的隔離器中的信號(hào)隔離相結(jié)合。其他方法可能需要單獨(dú)的變壓器耦合DC-DC轉(zhuǎn)換器，這會(huì)增加成本。

高阻抗與電氣隔離

許多應(yīng)用需要能夠在存在高共模電壓的情況下檢測(cè)小差分電壓，但不需要本質(zhì)安全性或斷開電流隔離提供的接地環(huán)路的能力。這些應(yīng)用需要能夠接受高共模電壓的高CMR放大器。這種類型的放大器，有時(shí)被稱為“窮人的隔離放大器”，用高阻抗而不是電流隔離柵將傳感器與系統(tǒng)隔離。雖然不是真正意義上的隔離，但它在某些應(yīng)用中可以以低得多的成本達(dá)到相同的目的。此外，不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)由同一電源供電。

圖2所示為AD629，這是一款專為此類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高共模電壓差動(dòng)放大器。這似乎很簡(jiǎn)單。它“只是”一個(gè)運(yùn)算放大器和五個(gè)電阻。用戶不能“自己動(dòng)手”嗎？是的，但電阻必須匹配到優(yōu)于0.01%，并且必須跟蹤到優(yōu)于3 ppm/°C。 電阻自發(fā)熱會(huì)降低直流CMR，而電容雜散會(huì)降低交流CMR。與8引腳DIP或SOIC相比，性能、尺寸和成本都將被犧牲。

圖2.AD629 高共模電壓差動(dòng)放大器

具有模擬輸入和輸出的簡(jiǎn)單工業(yè)過程控制環(huán)路等需要電流隔離的應(yīng)用可以使用AD202/AD204。這些是完整的隔離放大器，在輸入級(jí)和輸出級(jí)之間具有電流隔離。變壓器耦合意味著它們還可以為輸入級(jí)提供隔離電源，無(wú)需外部DC-DC轉(zhuǎn)換器。AD202/AD204提供用于輸入信號(hào)調(diào)理的獨(dú)立運(yùn)算放大器，增益為100時(shí)CMR為130 dB，CMV峰值隔離為2000 V。圖3顯示了一個(gè)AD202電路*，用于測(cè)量采用高達(dá)2000 V共模電壓的±5 V滿量程信號(hào)。對(duì)于需要隔離式電橋激勵(lì)、冷端補(bǔ)償、線性化和其他信號(hào)調(diào)理功能的應(yīng)用，3B、5B、6B 和 7B 系列提供了一系列完整、隔離良好的信號(hào)調(diào)理器。

圖3.AD202/AD204用于需要電流隔離和模擬輸出的應(yīng)用。

一些工業(yè)傳感器應(yīng)用需要電氣隔離，并結(jié)合智能傳感器的數(shù)字輸出。數(shù)字隔離（而不是模擬隔離）可以更經(jīng)濟(jì)高效地使用，但需要外部DC-DC轉(zhuǎn)換器。此類應(yīng)用的一個(gè)例子是電機(jī)控制，其中電機(jī)中的故障情況可能會(huì)損壞控制電子設(shè)備?？梢允褂肁D7742同步電壓頻率轉(zhuǎn)換器，以及光耦合器和DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。遠(yuǎn)程AD7742可與系統(tǒng)微處理器或微控制器連接，以完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。對(duì)于獨(dú)立應(yīng)用，可以使用串行輸出模擬前端AD7715，即16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但它需要隔離五條數(shù)字線，而不是V/F轉(zhuǎn)換器的單個(gè)數(shù)字輸出。但是，可以使用帶有內(nèi)置變壓器的五通道高速邏輯隔離器AD260，而不是5個(gè)光耦合器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖5顯示了AD7715和AD260。

圖4.AD7742用于需要電流隔離和數(shù)字輸出的應(yīng)用。

圖5.AD7715/AD260用于需要電流隔離和數(shù)字輸出的應(yīng)用。

當(dāng)不需要電流隔離時(shí)，情況變得更加簡(jiǎn)單。此類應(yīng)用的一個(gè)例子是電池單元電壓監(jiān)控。AD629既用于測(cè)量單個(gè)電池的電壓，也用于抑制串聯(lián)電池組提供的共模電壓。無(wú)需DC-DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)殡娮?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)的高阻抗保護(hù)運(yùn)算放大器的輸入，即使其電源電壓遠(yuǎn)低于共模電壓。圖6顯示了AD629測(cè)量120 V電池的1.2 V電池電壓的過程。

圖6.AD629用于不需要電流隔離的模擬應(yīng)用。

最后，有些應(yīng)用不需要電流隔離，但需要數(shù)字輸出。此應(yīng)用的一個(gè)例子是微處理器控制的電源的電源電流監(jiān)控。此處，AD629與12位ADC7887配合使用。AD629提供信號(hào)調(diào)理和共模抑制，AD7887提供數(shù)字輸出。同樣，由于AD629具有高輸入阻抗和共模衰減，因此不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖7所示為AD629/AD7887在電源電流監(jiān)控應(yīng)用中的應(yīng)用。

圖7.AD629/AD7887用于不需要電流隔離的數(shù)字應(yīng)用。

審核編輯：郭婷