如何在高共模电压下测量小差分电压

简介

在电机控制，电源电流监控和电池电压监控等应用中，必须在高共模电压下检测到小的差分电压。其中一些应用需要电流隔离，而另一些则不需要。一些应用使用模拟控制，其他应用使用数字控制。将考虑这种测量的四种情况，每种情况都需要独特的考虑因素。它们是：

带模拟输出的电流隔离;

带数字输出的电流隔离;

无电流隔离，模拟输出;

无电隔离，数字输出。

差分信号与共模信号

图1显示了测量系统的输入。 V DIFF 表示感兴趣的信号差分电压。 V CM 表示共模 电压，其中不包含有关测量的有用信息，实际上可能会降低测量精度。共模电压可以是测量系统的隐含部分，如在电池单元电压监视应用中，或者它可以由传感器意外地与高电压接触的故障条件产生。在任何一种情况下，该电压都是不需要的，测量系统的工作就是拒绝它，同时响应差模电压。

共模抑制（CMR）

测量系统具有差模增益和共模增益。差模增益通常大于或等于1，而共模增益理想地为零。电阻不匹配会导致反相输入的直流增益与同相输入的直流增益略有不同。反过来，这会导致直流共模增益非零。如果差分增益

在实际应用中，外部干扰源比比皆是。拾音器将从交流电源线（50/60 Hz及其谐波），设备开关以及射频传输源耦合。这种类型的干扰同样被引入两个差分输入，因此表现为共模信号。因此，除高直流CMR外，仪表放大器还需要高交流CMR，特别是在线路频率及其谐波处。直流共模误差主要是电阻不匹配的函数。相反，交流共模误差是反相和非反相输入之间的相移或时间延迟差异的函数。通过使用匹配良好的高速元件可以最大限度地减少这些因素，并且可以使用电容器进行微调。或者，在低频应用中，如果需要，可以使用输出滤波。虽然通常可以通过校准或修整来消除直流共模误差。可能降低测量分辨率的AC共模误差通常更受关注。所有ADI公司仪表放大器都完全适用于直流和低频交流共模抑制。

电流隔离

某些应用要求传感器之间没有直接电气连接和系统电子。这些应用需要电流隔离，以保护传感器，系统或两者。可能需要保护系统电子器件免受传感器处的高电压。或者，在需要本质安全的应用中，可能需要隔离传感器激励和电源电路以防止可能由故障状况引起的火花或点燃爆炸性气体。在医疗应用中，例如心电图（ECG），需要在两个方向上进行保护。必须保护患者免受意外电击。如果患者的心脏停止跳动，则必须通过紧急使用除颤器来保护ECG机器免受施加于患者的非常高的电压，以试图恢复心跳。

电流隔离也用于打破接地回路，即使两个系统接地之间的小电阻也可能产生不可接受的高电位。这可能发生在精密转换系统中，其中流过百分之几欧姆的毫安电流可能产生数百微伏的接地误差，这可能限制测量的分辨率。或者它可能发生在工业装置中，数千安培的电流可能产生数百伏的接地误差和潜在的危险情况。

电流隔离可以使用磁场（变压器），电场（电容器）或光（光隔离器）。每种方法都有自己的优点和缺点。但是，对于所有类型，通常需要隔离电源（或电池）来为隔离器的浮动侧供电。这可以很容易地与使用变压器隔离栅的隔离器中的信号隔离相结合。其他方法可能需要单独的变压器耦合DC-DC转换器，这会增加成本。

高阻抗与电流隔离

许多应用需要能够检测到小的差分电压。存在高共模电压，但不需要本质安全性或断开电流隔离提供的接地回路的能力。这些应用需要高CMR放大器，可以接受高共模电压。这种类型的放大器，有时被称为“穷人的隔离放大器”，将传感器与系统隔离，具有高阻抗，而不是电流隔离屏障。虽然不是真正意义上的隔离，但它在某些应用中可以以更低的成本实现相同的目的。此外，不需要DC-DC转换器，因为整个系统由相同的电源供电。

图2显示了AD629，一种高共模电压差放大器，专为这些类型的应用程序而设计。看起来很简单。它只是一个运算放大器和五个电阻器。用户不能“滚动自己”吗？是的，但电阻必须匹配到0.01％以上，并且必须追踪到高于3 ppm /°C。电阻自加热会降低直流CMR，而电容性线路则会降低交流CMR。与8引脚DIP或SOIC相比，性能，尺寸和成本都将被牺牲。

诸如带有需要电流隔离的模拟输入和输出的简单工业过程控制回路等应用可以使用AD202 / AD204。这些是完整的隔离放大器，在输入和输出级之间具有电流隔离。变压器耦合意味着它们还可以为输入级提供隔离电源，无需外部DC-DC转换器。 AD202 / AD204提供非专用运算放大器，用于输入信号调理，增益为100时CMR为130 dB，CMV峰值为2000 V峰值。图3显示了AD202电路*，用于测量高达2000 V的共模电压下的±5 V满量程信号。对于需要隔离电桥激励，冷端补偿，线性化和其他信号的应用 - 调节功能，3B，5B，6B和7B系列提供了一系列完整，隔离良好的信号调节器。

一些工业传感器应用需要电流隔离，并结合数字输出智能传感器。数字隔离而非模拟隔离可以更经济高效地使用，但需要外部DC-DC转换器。这种应用的一个例子是电动机控制，其中电动机中的故障状况可能破坏控制电子设备。可以使用AD7742同步电压 - 频率转换器，以及光耦合器和DC-DC转换器，如图4所示。远程AD7742可以与系统微处理器或微控制器连接以完成A / D转换。对于独立应用，可以使用串行输出AD7715模拟前端，一个16位sigma-delta A / D转换器，但它有五条数字线隔离，而不是V / F的单一数字输出转换器。然而，可以使用具有自己的板载变压器的AD260五通道高速逻辑隔离器，而不是五个光耦合器和一个DC-DC转换器。图5显示了AD7715和AD260。

当不需要电流隔离时，情况变得更加简单。这种类型的应用的一个例子是电池单元电压监测。 AD629既可用于测量单个电池的电压，也可用于抑制串联电池堆栈提供的共模电压。不需要DC-DC转换器，因为电阻网络的高阻抗保护运算放大器的输入，即使其电源电压远低于共模电压。图6显示AD629测量1.2 V电池的电压，该电池是120 V电池的一部分。

最后，有些应用不需要电流隔离，但需要数字输出。该应用的一个例子是微处理器控制的电源的供电电流监控。 AD629与AD7887 12位ADC配合使用。 AD629提供信号调理和共模抑制，而AD7887则提供数字输出。同样，由于AD629的高输入阻抗和共模衰减，因此无需DC-DC转换器。图7显示了AD629 / AD7887在电源电流监测应用中的应用。

这些图是说明性示例;它们不是测试应用程序的详细原理图。有关更多信息，请参阅产品数据表。您还可以找到在线研讨会笔记，实用模拟设计技术和传感器信号调节实用设计技术（可从ADI获得）这本书，作为设计信息的有用来源。使用高压电路时要格外小心