在存在大共模电压的情况下测量小差分电压

在电机控制、电源电流监控和电池单元电压监控等应用中，必须在存在高共模电压的情况下检测小差分电压。其中一些应用需要电流隔离，而其他应用则不需要。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。它们是：

带模拟输出的电气隔离;

带数字输出的电气隔离;

无电流隔离，模拟输出;

无电流隔离，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差异表示差分电压，即目标信号。V厘米表示共模电压，它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，如电池单元电压监控应用，也可能由传感器意外接触高压的故障条件产生。无论哪种情况，该电压都是不需要的，测量系统的工作是抑制它，同时响应差模电压。

图1.具有差分和共模电压的测量系统。

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，而共模增益理想情况下为零。电阻失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。这反过来又导致直流共模增益不为零。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。这种类型的干扰在两个差分输入中均等地感应，因此表现为共模信号。因此，除了高直流CMR之外，仪表放大器还需要高交流CMR，特别是在线路频率及其谐波下。直流共模误差主要是电阻失配的函数。相反，交流共模误差是反相和同相输入之间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，并且可以用电容器对其进行微调。或者，在低频应用中，如有必要，可以使用输出滤波。而直流共模误差通常可以通过校准或调整来消除。交流共模误差会降低测量分辨率，通常更值得关注。ADI公司的所有仪表放大器均完全针对直流和低频交流共模抑制进行额定。

电流隔离

某些应用要求传感器和系统电子设备之间没有直接的电气连接。这些应用需要电气隔离，以保护传感器和/或系统。可能需要保护系统电子设备免受传感器的高电压的影响。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，以防止可能由故障条件引起的火花或爆炸性气体的点燃。在心电图 （ECG） 等医疗应用中，需要双向保护。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心电图机免受施加给患者的非常高的电压，以尝试恢复心跳。

电流隔离还用于断开接地环路，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会产生数百微伏的接地误差，这可能会限制测量的分辨率。或者它可能发生在工业装置中，其中数千安培的电流可能会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，对于所有类型的隔离电源（或电池），通常需要隔离电源（或电池）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。

高阻抗与电气隔离

许多应用需要能够在存在高共模电压的情况下检测小差分电压，但不需要本质安全性或断开电流隔离提供的接地环路的能力。这些应用需要能够接受高共模电压的高CMR放大器。这种类型的放大器，有时被称为“穷人的隔离放大器”，用高阻抗而不是电流隔离栅将传感器与系统隔离。虽然不是真正意义上的隔离，但它在某些应用中可以以低得多的成本达到相同的目的。此外，不需要DC-DC转换器，因为整个系统由同一电源供电。

图2所示为AD629，这是一款专为此类应用而设计的高共模电压差动放大器。这似乎很简单。它“只是”一个运算放大器和五个电阻。用户不能“自己动手”吗？是的，但电阻必须匹配到优于0.01%，并且必须跟踪到优于3 ppm/°C。 电阻自发热会降低直流CMR，而电容杂散会降低交流CMR。与8引脚DIP或SOIC相比，性能、尺寸和成本都将被牺牲。

图2.AD629 高共模电压差动放大器

具有模拟输入和输出的简单工业过程控制环路等需要电流隔离的应用可以使用AD202/AD204。这些是完整的隔离放大器，在输入级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提供用于输入信号调理的独立运算放大器，增益为100时CMR为130 dB，CMV峰值隔离为2000 V。图3显示了一个AD202电路*，用于测量采用高达2000 V共模电压的±5 V满量程信号。对于需要隔离式电桥激励、冷端补偿、线性化和其他信号调理功能的应用，3B、5B、6B 和 7B 系列提供了一系列完整、隔离良好的信号调理器。

图3.AD202/AD204用于需要电流隔离和模拟输出的应用。

一些工业传感器应用需要电气隔离，并结合智能传感器的数字输出。数字隔离（而不是模拟隔离）可以更经济高效地使用，但需要外部DC-DC转换器。此类应用的一个例子是电机控制，其中电机中的故障情况可能会损坏控制电子设备。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可与系统微处理器或微控制器连接，以完成模数转换。对于独立应用，可以使用串行输出模拟前端AD7715，即16位Σ-Δ型模数转换器，但它需要隔离五条数字线，而不是V/F转换器的单个数字输出。但是，可以使用带有内置变压器的五通道高速逻辑隔离器AD260，而不是5个光耦合器和DC-DC转换器。图5显示了AD7715和AD260。

图4.AD7742用于需要电流隔离和数字输出的应用。

图5.AD7715/AD260用于需要电流隔离和数字输出的应用。

当不需要电流隔离时，情况变得更加简单。此类应用的一个例子是电池单元电压监控。AD629既用于测量单个电池的电压，也用于抑制串联电池组提供的共模电压。无需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显示了AD629测量120 V电池的1.2 V电池电压的过程。

图6.AD629用于不需要电流隔离的模拟应用。

最后，有些应用不需要电流隔离，但需要数字输出。此应用的一个例子是微处理器控制的电源的电源电流监控。此处，AD629与12位ADC7887配合使用。AD629提供信号调理和共模抑制，AD7887提供数字输出。同样，由于AD629具有高输入阻抗和共模衰减，因此不需要DC-DC转换器。图7所示为AD629/AD7887在电源电流监控应用中的应用。

图7.AD629/AD7887用于不需要电流隔离的数字应用。

审核编辑：郭婷