一文看懂?dāng)?shù)模轉(zhuǎn)換器接口隔離技術(shù)和外圍電路

1、數(shù)模轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)概述

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出直接與被控對(duì)象相連，容易通過(guò)公共地線引入干擾，因此要采取隔離措施。通常采用光耦合器，使控制器和被控對(duì)象只有光的聯(lián)系，達(dá)到隔離的目的。光耦合器由發(fā)光二極管和光敏二極管封裝在同一管殼內(nèi)組成，發(fā)光二極管的輸入和光敏二極管的輸出具有類似于普通晶體管的輸入-輸出特性。

（1）模擬信號(hào)隔離方法。利用光耦合器的線性區(qū)，可使數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)光耦合器變換成輸出有直流電流，這樣就實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的隔離。轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)兩級(jí)光耦合器變換成輸出電流，這樣既滿足了轉(zhuǎn)換的隔離，又實(shí)現(xiàn)了電壓/電流變換。為了取得良好的變換線性度和精度，在應(yīng)用中應(yīng)挑選線性好、傳輸比相同并始終工作在線性區(qū)的兩只光耦合器。

模擬信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是：只使用少量的光耦合器，成本低；缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果光耦合器挑選不合適，將會(huì)影響變換的精度和線性度。

目前出現(xiàn)了集成的線性耦合芯片，在一個(gè)線性光耦合芯片里有兩個(gè)線性好、傳輸比相同并始終工作在線性區(qū)的光耦合器，所以采用集成的光耦合就不存在挑選及調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題了。

（2）數(shù)字信號(hào)的隔離方法。利用光耦合器的開(kāi)關(guān)特性，可以將轉(zhuǎn)換器所需的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)作為光耦合器的輸入，其輸出再接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離。數(shù)字信號(hào)隔離的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡(jiǎn)單，不影響轉(zhuǎn)換的精度和線性度，缺點(diǎn)是使用角度的光耦合器，成本較高。

很多變送器的輸出信號(hào)為0～10mA或4～20mA，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)只能是電壓信號(hào)，所以如果模擬信號(hào)是電流時(shí)，必須先把電流變成電壓才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這樣就需要I/V變換電路。下面討論一下I/V變換的實(shí)現(xiàn)方法。

（1）無(wú)源I/V變換：無(wú)源I/V變換主要是利用無(wú)源器件電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施，如下圖所示。

對(duì)于0～10mA輸入信號(hào)，可取R1=100，R2=500，且R2為精密電阻，這樣當(dāng)I為0～10mA電流時(shí)，輸出的V為0～5V；對(duì)于4～20mA輸入信號(hào)，可取R1=100，R2=250，且R2為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的電流為4～20mA時(shí)，輸出的V為1～5V。

（2）有源I/V轉(zhuǎn)換

有源I/V變換主要是利用有源器件運(yùn)算放大器、電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。

該同相放大電路的放大倍數(shù)為：A=1+R4/R3

若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω，則0～10mA輸入對(duì)應(yīng)于0～5V的電壓輸出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，則4～20mA輸入對(duì)應(yīng)于1～5V的電壓輸出。

前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入的小信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，為了能適應(yīng)多種小信號(hào)的放大需求，可以設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/p>

現(xiàn)在的一些變送器的輸出都是標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，前置放大器在A/D轉(zhuǎn)換電路中不常用。

多路模擬開(kāi)關(guān)是從多個(gè)模擬輸入信號(hào)中切換選擇所需輸入通道模擬輸入信號(hào)電路。場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為模擬開(kāi)關(guān)而得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是工作速度可達(dá)10的6次方次/3，導(dǎo)通電阻低（5~25歐），截止電阻高達(dá)10的1方歐。

采樣保持電路能夠跟蹤或者保持輸入模擬信號(hào)的電平值。在理想狀況下，當(dāng)處于采樣狀態(tài)時(shí)，采樣保持電路的輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)變化而變化；當(dāng)處于保持狀態(tài)時(shí)，采樣保持電路的輸出信號(hào)保持為接到保持命令的瞬間的輸入信號(hào)電平值。當(dāng)電路處于采樣狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，這時(shí)電容充電，如果電容值很小，電容可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成充放電，這時(shí)，輸出端輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的變化而變化；當(dāng)電路處于保持狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，這是由于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，以及集成運(yùn)放的輸入端呈高阻狀態(tài)，電容放電緩慢，由于電容一端接由集成運(yùn)放構(gòu)成的信號(hào)跟隨電路，所以輸出信號(hào)基本保持為斷開(kāi)瞬間的信號(hào)電平值。