可提供穩定工業級量測的隔離技術 

目錄

1. 概述
2. 了解隔離功能
3. 隔離需求
4. 建置隔離功能的方式
5. 類比與數位隔離
6. 結論

1. 概述

電壓、電流、溫度、壓力、應變與流量等量測，均屬於工業與製程控制應用的一部分。而這些應用所在的環境，往往並存著高電壓、暫態訊號、共模電壓，以及不時變動的接地電位，可能損害量測系統並影響量測精確度。為了克服這些難題，針對工業應用所設計量測系統，往往會利用電子隔離功能。 此篇技術文件將說明類比量測的隔離功能、解答常見的隔離問題，並提供不同隔離技術的相關資訊。

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2. 了解隔離功能

針對可能暴露於高電壓1 環境中的感測器訊號，隔離功能可透過電子方式，從量測系統的低電壓背板中隔離出訊號。 隔離功能可提供多項優點，包含：

• 避免使用者、昂貴設備與資料接觸到瞬變電壓 (Transient voltage)。
• 提升抗擾性 (Noise immunity)
• 移除接地迴路
• 提升共模電壓抑制

具隔離功能的量測系統，亦針對類比前端與系統背板配備獨立的接地機板，以區隔感測器量測作業。隔離式前端的接地連結為浮動針腳 (Floating pin)，可透過與接地相異的電位 (Potential) 進行作業。圖 1 即為類比電壓量測裝置。隔離功能抑制了感測器接地與量測系統接地之間的共模電壓。 此可避免接地迴路於感測器線路上形成或移除任何雜訊。

圖 1. 組間 (Bank) 隔離的類比輸入電路

1高電壓即是大於 30 Vrms、42.4 Vpk 或 60 VDC。

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3. 隔離需求

與下列情況相關的量測系統，均應考慮使用隔離功能：

• 關閉鄰近的高電壓
• 具暫態電壓的工業環境
• 具共模 (Common-mode) 電壓或浮動接地電位 (Fluctuating ground potential) 的環境
• 因工業馬達而造成的電子雜訊環境
• 必須避免由量測系統所傳送電壓突波的任何應用

工業級量測、製程控制，與汽車測試應用，往往充滿了共模電壓、高暫態電壓與電子雜訊。而具備隔離功能量測設備，則可於此種嚴苛環境中進行穩定的量測。 而針對直接接觸病患的醫療設備，隔離功能更可有效阻絕設備所產生的暫態電流。

根據電壓與資料傳輸率的需要，亦有多個選項可進行具隔離功能的量測作業。筆記型電腦、桌上型電腦、工業級電腦、PXI、單板式電腦與 CompactPCI 均可使用插卡式介面卡，用以內建隔離或外接訊號處理功能。 亦可透過可程式化自動控制器 (PAC) 搭配 USB、乙太網路和無線量測系統，進行隔離式量測作業。

圖 2. 隔離式的資料擷取系統

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4. 建置隔離功能的方式

隔離功能必須不藉由任何直接的電子接觸，透過隔離層 (Isolation barrier) 傳送訊號。發光二極體 (LED)、電容器 (Capacitor)，與電感器 (Inductor)，即為不需直接接觸，即可傳輸電子訊號的 3 種常見元件。 這些裝置的核心架構，即是隔離功能最基本的 3 項技術 – 光學偶合、電容偶合，與電感偶合 (Coupling)。

光學隔離

LED 是因電壓通過而發光。光學隔離即是使用 LED 搭配光偵測器 (Photodetector) 裝置，以光線進行資料編譯，再透過隔離層傳輸訊號。 而光偵測器將接收由 LED 所傳輸的光線，並將之轉換回原始訊號。

圖 3. 光學隔離

光學隔離為隔離功能最常用的方法之一。而光學隔離的優點，即是可抑制電子與磁性雜訊。 而缺點則是其傳輸距離將受到 LED 切換速度、高功率損耗 (Dissipation)，與 LED 外殼 (Wear) 所限制。

電容隔離

電容隔離是以磁場為架構，而該磁場又依電容器板 (Capacitor plate) 上的電荷變化程度進行變更。 此電荷是透過隔離層而偵測得知，並與所測得的訊號強度互成比例。

圖 4. 電容隔離

電容隔離的優點之一，即是可抑制磁性雜訊。與光學隔離相較，電容隔離不需切換 LED，因此可支援較高的資料傳輸速率。 由於電容偶合必須利用電場 (Electric field) 進行資料傳輸，所以亦容易受到外部電場的干擾。

電感偶合隔離

在 1800 年初期，丹麥的物理學家 Hans Oersted 發現，當電流流過銅質接線即可產生磁場。接著又發現只要將電流導入第二條銅導線，再將之置於第一條導線的附近，即可改變其磁場。第二條導線的電壓與電流，將因第一條導線所變更的電流速率而產生變化。 此即所謂的互感 (Mutual induction)，亦為電感隔離的基礎。

圖 5. 電感偶合

電感隔離使用 2 組銅導線，並以絕緣層區隔之。絕緣層可阻絕實體訊號的傳輸。只要有電流流經其中 1 組銅導線，均可能傳輸任何訊號，因此可能讓第二組導線感應相似的電流。電感隔離與電容隔離的傳輸率約為相同。 由於電感偶合必須利用電場 (Electric field) 進行資料傳輸，所以亦容易受到外部電場的干擾。

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5. 類比與數位隔離

目前有多款商用現成 (COTS) 元件均可搭配上述其中 1 項技術，以達到隔離功能。針對類比 I/O 通道，在類比數位轉換器 (ADC) 進行訊號數位化之前 (類比隔離) 或之後 (數位隔離)，均可於裝置的類比部分建置隔離功能。使用者必須根據隔離在電路中的位置，透過上述技術以設計不同的電路。亦可根據資料擷取系統的效能、成本，與實際需要，選擇類比或數位隔離。 圖 6a 與 6b 即顯示建置隔離時的不同階段。

圖 6a. 類比隔離

圖 6b. 數位隔離

下列章節將進一步說明類比與數位隔離，並解釋不同的建置技術。

類比隔離

隔離放大器一般均用於資料擷取裝置的類比前端，以提供隔離功能。圖 6 中「ISO Amp」即代表隔離放大器；而在大多數的電路中，此裝置均為類比電路的重要元件之一。來自於感測器的類比訊號將傳送至隔離放大器；該放大器具有隔離功能，並可將訊號傳送至類比數位轉換器 (ADC) 的電路。 圖 7 則為隔離放大器的常見配置。

圖 7. 隔離放大器

在理想的隔離放大器中，類比輸出訊號應等於類比輸入訊號。而圖 7 中標示為「Isolation」的區塊，即使用了上述所提過的技術之一 (光學、電容，或電感偶合)，將訊號傳送過隔離層。而調變器 (Modulator) 電路將針對隔離電路準備所需的訊號。若要使用光學隔離，則必須編譯或數位化此訊號，使其具備不同的光線密度。若是電容與電感隔離，則必須將訊號編譯為不同的電場或磁場。 解調器 (Demodulator) 電路接著將讀取隔離電路輸出，並將之轉換回原始的類比訊號。

由於在訊號數位化之前，即已執行類比隔離作業，因此若要設計外部訊號處理功能，並搭配現有的非隔離式資料擷取裝置時，此實為最好的方法。在此範例中，資料擷取裝置可執行類比數位轉換，而由外部電路提供隔離功能。若整合資料擷取裝置與外部訊號處理功能，則量測系統製造商即可開發一般資料擷取裝置，與特定感測器的訊號處理功能。圖 8 的彈性訊號處理作業，即使用隔離放大器建構類比隔離。 類比前端使用隔離功能的另 1 項優點，即是可為 ADC 或其他類比電路阻絕電壓突波。

圖 8. 於彈性的訊號處理硬體中使用隔離放大器

目前市面已有多項量測產品，可使用一般資料擷取裝置與外部訊號處理功能。 舉例來說，NI 的 M 系列即提供多款非隔離式的一般多功能 DAQ，可提供高效能的類比與數位 I/O。針對需要隔離功能的應用，則可使用 M 系列介面卡搭配外部訊號處理功能，如 NI SCXI 或 SCC 模組。 這些訊號處理平台均可提供隔離與特定的訊號處理功能，讓使用者可直接連至工業級感測器，如荷重元、應變規與 pH 感測器。

數位隔離

ADC 為類比輸入 DAQ 裝置的重要元件之一。若要達到最佳效能，ADC 的輸入訊號應儘量靠近原來的感測器訊號。在訊號抵達 ADC 之前，類比隔離卻可能產生如增益、非線性與偏移的錯誤。若將 ADC 靠近訊號來源，則可獲得更高的效能。類比隔離元件亦具有較高的成本，且可能需要較長的趨穩時間。姑且先不論較佳的數位隔離效能。採用類比隔離功能的理由之一，往往是可為昂貴的 ADC 提供更高保護。 由於 ADC 的價位已大幅跌落，量測設備製造商正試著提高 ADC 的保護效能，並降低數位隔離器的成本；如圖 9 所示。

圖 9. 16 位元 ADC 的價格正不斷下跌

圖表來源： NI 與領先地位的 ADC 製造商所提供

與隔離放大器相較，數位隔離元件的成本較低，且可達到較高的資料傳輸率。數位隔離技術亦具備較高彈性，讓工程師可選擇元件，並針對量測裝置開發最適用的類比前端。具備數位隔離功能的產品，均是使用電流與電壓限制的電路，以達到 ADC 的保護效果。 數位隔離元件的基本概念與光學、電容，與電感偶合相似，可形成類比隔離的基礎。

目前數位隔離元件的領導製造商如 Avago Technologies (www.avagotech.com)、德州儀器 (www.ti.com) 與 Analog Devices (www.analog.com)，並均已根據基本原理開發出自己的隔離技術。 Avago Technologies 是根據光學偶合開發數位隔離器；德州儀器是以電容偶合提供隔離器；而 Analog Devices 的隔離器是以電感偶合為架構。

光學偶合器 (Optocoupler)

光學偶合器 (Optocoupler)，為根據光學偶合原則的數位隔離器，亦為數位隔離中最常見的方法之一。該偶合器可承受高電壓，並提供電子與磁力雜訊的高阻絕性。 光學偶合器普遍用於工業級數位 I/O 產品，如圖 10 所示的 NI PXI-6514 隔離式數位 I/O 模組，還有 NI PCI-7390 工業級運動控制器。

圖 10. 使用光學偶合器的工業級數位 I/O 產品

然而針對高速類比量測，光學偶合器會受到速度、功率消耗與 LED 外殼相關的光學偶合限制。 而屬於電容與電感偶合原理的數位隔離器，則較不會對光學偶合器造成限制。

電容隔離

德州儀器 (TI) 則提供電容偶合的數位隔離元件。這些隔離器並可達到高資料傳輸率與高暫態抑制功能。 與電容/光學隔離相較，電感隔離的耗電量亦較低。

電感隔離

由 Analog Devices 公司於 2001 年所發表的

iCoupler 技術 (analog.com/iCoupler)，即使用電感偶合達到數位隔離功能，適用於高速且高通道數的應用。iCoupler 裝置可於 2,500 V 隔離負載達到 100 Mb/s 資料傳輸率，可用於 Megahertz 取樣率範圍的 16 位元類比量測系統。 不同於光學偶合器，iCoupler 具有其他優點，如降低耗電量、最高 125 °C 的作業環境溫度範圍，與最高 25 kV/ms 的暫態阻絕。

iCoupler 技術是以小型的晶片調整傳輸器為基礎。 iCoupler 包含 3 個主要部分 – 傳感器、轉換器與接收器。傳感器電路使用邊緣觸發 (Edge trigger) 編碼，並於數位通道中轉換正緣 (Rising Edge) 與負緣 (Falling Edge) 至 1 ns 的脈波。 如圖 11 所示，這些脈波是透過傳輸器 (Transformer) 穿過隔離層，並由接收器電路於另外 1 面進行解碼。 小體積傳輸器約可達 0.3 公釐，因此可不受外部的電磁雜訊所影響。 iCoupler 裝置亦可於每個積體電路 (IC) 中整合最多 4 個隔離通道，可降低量測硬體的成本；與光學偶合器相較，亦僅需要較少的外部元件。

圖 11. Analog Devices 公司的電感偶合 iCoupler 技術

來源： Analog Devices (analog.com/iCoupler)

量測硬體製造商均正使用 iCoupler 裝置，以期透過更低成本提供高效能的資料擷取系統。 如圖 12 所示，NI 工業級資料擷取 (DAQ) 裝置 – 如 M 系列多功能 DAQ - 均為高速量測作業而設計，且使用 iCoupler 數位隔離器。這些裝置可於多個類比/數位通道上，提供 60 VDC 連續隔離與 1,400 Vrms/1,900 VDC 通道對匯流排隔離抗壓 (Withstand) 達 5 秒；並支援最高 250 kS/s 取樣率。NI C 系列模組可用於 NI PAC 平台、NI CompactRIO，與 NI CompactDAQ；而其他高速 NI USB、乙太網路和無線裝置也使用 iCoupler 技術。

圖 12. 工業級 NI M 系列多功能 DAQ 使用數位隔離器。

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6. 結論

隔離式 DAQ 系統，可於高電壓與暫態的嚴苛工業環境中，進行穩定的量測作業。根據量測應用與周圍環境，再決定所需的隔離功能。 若必須連接不同的感測器，則使用單一且常見 DAQ 裝置的應用，則可利用外部訊號處理搭配類比隔離功能；若是低成本且高效能類比輸入的應用，則可使用數位隔離技術。