一文看懂數(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象相連，容易通過公共地線引入干擾，因此要采取隔離措施。通常采用光耦合器，使控制器和被控對象只有光的聯(lián)系，達到隔離的目的。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，這樣就實現(xiàn)了模擬信號的隔離。轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)兩級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。

模擬信號隔離方法的優(yōu)點是：只使用少量的光耦合器，成本低；缺點是調(diào)試困難，如果光耦合器挑選不合適，將會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，在一個線性光耦合芯片里有兩個線性好、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)試困難的問題了。

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

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

（1）無源I/V變換：無源I/V變換主要是利用無源器件電阻來實現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護措施，如下圖所示。

對于0～10mA輸入信號，可取R1=100，R2=500，且R2為精密電阻，這樣當I為0～10mA電流時，輸出的V為0～5V；對于4～20mA輸入信號，可取R1=100，R2=250，且R2為精密電阻，這樣當輸入的電流為4～20mA時，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算放大器、電阻來實現(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輸入對應(yīng)于0～5V的電壓輸出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，則4～20mA輸入對應(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)多種小信號的放大需求，可以設(shè)計可變增益放大器。

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

多路模擬開關(guān)是從多個模擬輸入信號中切換選擇所需輸入通道模擬輸入信號電路。場效應(yīng)晶體管作為模擬開關(guān)而得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點是工作速度可達10的6次方次/3，導通電阻低（5~25歐），截止電阻高達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的電平值。在理想狀況下，當處于采樣狀態(tài)時，采樣保持電路的輸出信號跟隨輸入信號變化而變化；當處于保持狀態(tài)時，采樣保持電路的輸出信號保持為接到保持命令的瞬間的輸入信號電平值。當電路處于采樣狀態(tài)時開關(guān)導通，這時電容充電，如果電容值很小，電容可以在很短的時間內(nèi)完成充放電，這時，輸出端輸出信號跟隨輸入信號的變化而變化；當電路處于保持狀態(tài)時開關(guān)斷開，這是由于開關(guān)斷開，以及集成運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放構(gòu)成的信號跟隨電路，所以輸出信號基本保持為斷開瞬間的信號電平值。