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模拟隔离芯片篇(1):这几种模拟信号的隔离方法，你都掌握了吗？
模拟信号的隔离是非常头疼的，有时候不得不需要隔离。大部分基于以下需要：
1.隔离干扰源;
2.分隔高电压。
隔离数字信号的办法很多，隔离模拟信号的办法却没有想象的那么多，关键是隔离的成本，比想象的都要高出许多。特别是要求精确测量的场合，模拟信号的隔离，成本高得更加是离谱的无法想象。我从事这种系统开发多年，对自己所知道的隔离方法做个小小的总结：
一、数字隔离方法：1、光耦;
2、ADI 的磁隔离芯片,ADuMXXXX(XXXX为数字代号，如 I2CADuM1250);
3、自己用变压器隔离。
数字隔离办法，一般实现的都是单向数字信号的隔离，对于双向数字信号，需要两个隔离单元来实现，体积非常的惊人;很难减小体积。相对于速度很成本，如果速度小于100KHz一下，个人推荐用Ps2501这样的常用光耦隔离数字信号，很好的性价比，隔离度也非常的高。一般Ps2501这样的光耦隔离度都在3000V/RMS以上。
但是如果隔离数字信号的频率在200KHz以上，用Ps2501这样的光耦就不行了，要换高速的数字光耦，价格成本也上去了，不划算了。所以可采用ADI的磁隔离芯片。最便宜的磁隔离芯片每通道的价格在$0.7，算下来人民币也才4~5块人民币，选在6N137、6N136这样的高速光耦，已经没有性价比可言，浪费大量的PCB空间用于隔离部分。成本在4块左右，甚至更高，主要看你的6N137的采购量。但ADuM系列的磁隔离芯片的尺寸小很多很多，价格相比也很有优势。唯一美中不足的是磁隔离芯片的隔离电压只能到1000V左右，这个是个很头疼的问题。如果只是隔离干扰源，自然没问题，如果是隔离高电压，那么要仔细考量一下设计了。
自己用隔离变压器来隔离的办法，一般人是用不到的，因为完全没有经济效益。它只有一点好处，就是隔离电压可做得非常高，一般只有变频器、逆变器等IGBT的驱动，需要隔离非常大的电压，超过5000V;才使用。因为一般的芯片和光耦都实现不了了。
二、模拟信号的隔离1、线性光耦;
2、隔离放大器 ;
3、频压转换和压频转换+数字隔离;
4、飞电容;
5、采用DA/AD+数字隔离的办法实现模拟信号的采样复原，进而实现隔离的办法;
6、普通光耦实现的线性隔离。
线性光耦，做过隔离的朋友都知道。如以前的TIL300，不过好像已经不生产了。可以选择Vishy的IL300作为替代。作为一般模拟信号的线性隔离，是个不错的选择。一般来讲，线性光耦需要两个运放和一些高精度电阻组成合适的电路才能完成信号的隔离。也只是单向隔离。IL300的价格在十几块钱人民币左右，如果想得到比较好的温度特性，需要两个比较好的运放，所以整个隔离下来的成本在每路：30RMB/Ch，隔离的频率在200kHz左右。线性度其实并不理想，0.1%的精度都比较难保证;但手册上写着可以到0.01%的伺服精度。实际上，因为温度的影响，线性度在+/-0.5%，所以有更高隔离线性度的童鞋们就不能选择这种办法了。但对于大多数场合都是可以的;
隔离放大器，这个是个终极的宝贝啊，有很多厂家都有， 中国小厂一堆生产这种东西的。线性度都能达到0.1%，比较上档次的是TI和ADI的隔离放大器，这些东西的成本很高。TI 有一款号称是全球价格最低的隔离放大器，ISO124。隔离放大器的话，性能稳定，线性度良好，大多数都能达到或远远超过0.1%，都能达到0.01%;但价格的话至少都在40RMB/Ch，ADI的就更加离谱了，大概能到40dollar/Ch，对于做一般工业产品的制造商来讲，实在是望而却步。
第三种方法和第五种方法大同小异，都是把模拟信号变为数字信号然后再隔离数字信号。数字信号再复原成模拟信号，所以，这也意味着这种电路复杂得很。但从隔离效果上讲，应该是一种比较合理的隔离方式。至少在成本和精度上，和隔离放大器最有一拼的。压频转换和频压转换都非常的贵，所以，这种器件不适合做低带宽信号的转换;压频和频压转换不需要单片机的参与，电路上更为简洁，可靠性也更高。如果使用AD/DA转换复原，需要单片机或者FPGA等控制电路的参与，从开发角度来说，需要比较多的精力。相对于频压转换的方法，比较罗嗦，复原的信号带宽和AD/DA的带宽有关。但选择合适的芯片和单片机，如cortex-M0的32位单片机，40MHz左右，几块钱人民币。配合合适的AD/DA，成本也能控制在30RMB/ch,但效果比IL300要好很多，主要是隔离的线性度可以有个非常好的保证。
飞电容，飞电容笔者没试过，但是飞电容也是个思路特殊的隔离方案。相对于其他的隔离方案，首先是不需要隔离电源;其次是电路简单。飞电容就是将模拟信号作为源，对一个合适的电容进行充电，充完电后，将飞电容切换到测量电路一边，与向飞电容充电的电路完全断开。电容对测量电路放电。测量电路测量出电容的电压。即实现了电压信号的隔离。这个电路的核心在于，切换电容，并控制切换时间。最好使用继电器，但普通的继电器寿命有限，这种玩法肯定就报废了。要使用湿簧继电器;湿簧继电器应该不是便宜的东西，这种方法我也没试过，但是理论上是完全可行的。只不过信号带宽是小得可怜。可能只有10Hz吧。
普通的光耦只是使用了特殊的思路，用另外一个光耦做第一个光耦的反馈和补偿，如下图。
这种方法呢，个人觉得隔离一般的信号还可以，因为没有Datasheet等保证，实际上大批量应用是很难保证一致性和稳定性的。只是应用于线性度要求非常不高的场合。成本在所有模拟信号隔离方案里应该是最低的，可以做到5块钱/ch以下。
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模拟隔离芯片篇(2):基于光电耦合器的模拟隔离放大电路的设计
本文提出了一种新的隔离放大器的设计方案，该方案结构简单，且选用通用器件，易于实现。通过将本电路与AD公司的AD210AN集成模拟隔离放大器进行实验对比。本隔离放大电路在带宽上要优于集成模拟隔离放大器。
隔离放大器按传输信号的类型。可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵。开关隔离放大器的生产商较多，产品种类也多，价格较低，相对便宜。高价位的模拟隔离放大器限制了其应用范围。而文献[2]中提到的双通道隔离放大器结构复杂。且对隔离间距有较高的要求，而文献[3]中所提到的光电耦合隔离放大器则对元器件参数有较高的要求。文献[4]中提到的隔离放大器对隔离器件间距也有特殊要求。
1 新型电路原理
图1所示是笔者设计的隔离放大器的原理电路。本隔离放大电路主要由光电耦合器和运算放大器构成。光电耦合器选用普通光耦TLP521，运算放大器则选择通用运算放大器LF353。通过这两种普通器件的搭配.所得到的隔离放大器性能和专用模拟隔离放大器的性能相近。
图1所示是放大器加普通光耦组成的隔离放大电路。本隔离放大电路由输入和隔离输出两部分构成，且两部分使用隔离的电源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供电。
输入部分由运放U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5， 电容C1、C2， 光电耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的发光二极管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三极管部分OPT1_B、OPT3_B组成，由正电源Vcc1和负电源Vee1供电。
OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的电流构成差动放大输入。R1和R2为运放的输入电阻，R3和R4可为四个光耦的发光二极管(LED)提供偏置和控制电流。运放U1和光耦OPT1、OPT3组成了一个射级跟随器，R5上的电压即为运放的输入电压。
运放的带宽决定着构成隔离放大器的带宽。现有的集成模拟隔离放大器的带宽均在100 kHz以下，而常用运放的带宽是这个带宽的几倍到几十倍。
因此，本设计选用一般的运放就可以满足输入部分的带宽要求。所以，输入级的运算放大器可选用普通运放(如LF353)。R7和C3用来滤波。 本电路的隔离输出部分由OPT2、OPT4的光敏三极管OPT2_B、OPT4_B、电位器W1和输出电阻R6组成。
OPT2_B和OPT4_B为隔离输出，它的电路结构和输入部分的光敏三极管相似，用于为输出级提供电流。电位器W1用来调零。而两部分光耦的电流传输比有偏差时，就会造成光耦LED电流相等而输出级电流差不相同，从而使输出电压vo的零点产生漂移。因此，调节电位器W1可以消除这种由于光耦器件特性偏差所带来的零点漂移。R6为输出负载，它和电位器W1共同决定输出电压vo。
由此可知，本设计选用普通光耦即可(如东芝公司的光电耦合器TLP521)。
2 AD210AN集成放大器
AD210AN是AD公司的集成模拟隔离放大器芯片。在该隔离放大电路中，AD210的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟踪功能。18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs，18脚和Vs共地。脚1和脚2为输出引脚，Rb为输出负载电阻(使用时可选Ra=Rb=1 kΩ)。该电路可实现1:1的隔离传输功能。
3 实验验证
在对本电路进行测试中，选取Vcc1=Vcc2=12V，Vee1=Vee2=-12 V， R1=R2=18 kΩ， R3=R4=3.2kΩ，Rs=R6=5 kΩ，W1=100 kΩ，C1=C2=0.01 uF，运放使用LF353，光耦使用TLP521。
图2 AD210测试原理图
AD210的测试电路如图2所示。在相同的测试条件为：给输入端加频率为0～10 kHz、峰-峰值为10 V的正弦信号，然后测试输出部分的输出波形。
图3和图4分别为新电路和AD210的输入输出电压波形图。其中横轴为时间，纵轴为输出电压幅值。由实验可以看出，在输入频率为1 kHz时，本隔离电路和集成模拟隔离放大器AD210具有相同的线性度和相同的传输延时。但在高频端时，本电路的传输延时要远小于集成隔离放大电路的传输延时。
图3 本新型电路的输入输出电压波形(fin为40 kHz)
由图3可知，在40kHz时，本电路的相位差约为14°。此时的输出电压和输入电压没有发生畸变，为线性传输。而集成模拟隔离放大器在10 kHz时的传输延时约为72°。可见，本隔离放大电路的传输带宽要优于集成模拟隔离放大器。
图4 AD210的输入输出电压波形(fin为10 kHz)
其中，隔离电压、隔离阻抗为光耦TLP521的给定参数;输入阻抗、电源电压、输入电压范围为运算放大器LF353的给定参数;单位增益带宽、输出电压范围为实际测量值。
表1为本隔离放大器和专用模拟隔离放大器AD210以及ISO124在性能上的比较。
从表1可以看出，本隔离放大器在有些方面与集成模拟隔离放大器相同(如隔离电压、输入阻抗)。在小信号带宽方面和输出电压范围上要比集成隔离放大器略差。而当频率升高时，输出电压幅值增大则是需要进一步研究的问题。
4 结束语
本文提出了一种使用四光耦实现模拟隔离放大电路的新方案。该方案电路结构简单，易于实现，价格低廉。通过与集成模拟隔离放大器AD210的比较实验表明，本隔离放大器的性能优良，有很好的应用前景.
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模拟隔离芯片篇(3):模拟地与数字地隔离问题
模拟地与数字地隔离问题
关于数字地与模拟地的隔离问题
1.数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。但是，制做PCB板时一般都做铺铜走线，而走线都与GND相联，请问，铺铜之后，模拟地和数字地还能区分出来吗，还能像上面说的那样，只有一个联接点吗？两个地起不同的名字，分别辅铜，最后可以用一个10uH电感或0欧姆电阻连起来。模拟部分的器件尽量集中，放置在与其它板子接口的附近，减小信号衰减。数字部分线路长一些没关系。先对模拟地敷铜，然后对整个板敷数字地。模拟地和数字地之间会自动分隔，用一个1uH的电感或0欧的电阻作为共地点。2在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个：（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，
di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可
能成为干扰源。（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的
抗干扰性能。（类似于传染病的预防）1
抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的
di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。抑制干扰源的常用措施如下：（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K
到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。
所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。2
切断干扰传播路径的常用措施如下：（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,
要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。（7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。3
提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦
合噪声。（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字
电路。（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。为了达到很好的抗干扰，于是我们常看到PCB板上有地分割的布线方式。但是也不是所有的数字电路和模拟电路混合都一定要进行地平面分割。因为这样分割是为了降低噪声的干扰。理论：在数字电路中一般的频率会比模拟电路中的频率要高，而且它们本身的信号会跟地平面形成一个回流（因为在信号传输中，铜线与铜线之间存在着各种各样的电感和分布电容），如果我们把地线混合在一起，那么这个回流就会在数字和模拟电路中相互串扰。而我们分开就是让它们只在自己本身内部形成一个回流。它们之间只用一个零欧电阻或是磁珠连接起来就是因为原来它们就是同一个物理意义的地，现在布线把它们分开了，最后还应该把它们连接起来。如何分析它们是属于数字部分呢还是模拟部分？这个问题常常是我们在具体画PCB时得考滤的。我个人的看法是要判断一个元件是属于模拟的，还是数字的关键是看与它相关的主要芯片是数字的还是模拟的。比如：电源它可能给模拟电路供电，那它就是模拟部分的，如果它是给单片机或是数据类芯片供电，那它就是数字的。当它们是同一个电源时就需要用一个桥的方法把一个电源从另一个部分引过来。最典形的就是D/A了，它应该是一个一半是数字，一半是模拟的芯片。我认为如果能把数字输入处理好后，剩下的就可以画到模拟部分去了。
posted @ 2010-10-06 08:48 阿明的园子 阅读(592) | 评论(0) | 编辑
数字地与模拟地的区别及处理方法（转载）
模拟电路涉及弱小信号，但是数字电路门限电平较高，对电源的要求就比模拟电路低些。既有数字电路又有模拟电路的系统中，数字电路产生的噪声会影响模拟电路，使模拟电路的小信号指标变差，克服的办法是分开模拟地和数字地。 对于低频模拟电路，除了加粗和缩短地线之外，电路各部分采用一点接地是抑制地线干扰的最佳选择，主要可以防止由于地线公共阻抗而导致的部件之间的互相干扰。而对于高频电路和数字电路，由于这时地线的电感效应影响会更大，一点接地会导致实际地线加长而带来不利影响，这时应采取分开接地和一点接地相结合的方式。 另外对于高频电路还要考虑如何抑制高频辐射噪声，方法是：尽量加粗地线，以降低噪声对地阻抗；满接地，即除传输信号的印制线以外，其他部分全作为地线。不要有无用的大面积铜箔。地线应构成环路，以防止产生高频辐射噪声，但环路所包围面积不可过大，以免仪器处于强磁场中时，产生感应电流。但如果只是低频电路，则应避免地线环路。数字电源和模拟电源最好隔离，地线分开布置，如果有A/D，则只在此处单点共地。 低频中没有多大影响，但建议模拟和数字一点接地。高频时，可通过磁珠把模拟和数字地一点共地。 如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。不短接又不妥，理由如上有四种方法解决此问题∶1、用磁珠连接；2、用电容连接；3、用电感连接；4、用0欧姆电阻连接。 磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显着抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合。 电容隔直通交，造成浮地。 电感体积大，杂散参数多，不稳定。 0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强
