电子元器件——隔离器，如何实现系统之间的抗干扰？

2021-04-25 15:34

长距离传输数据充满着各种各样的潜在问题。接地环路可能是一个干扰源，它能在传输两端的接地之间产生噪声电压，此电压如果足够大，就可能导致接收端数据错误。

何为接地环路？

接地环路是系统接地方案中的一个物理环路，产生于电路之间的多个接地路径。这些接地路径可以充当一个大环路天线，从环境中拾取噪声，从而在接地系统中产生电流。

如在工业生产过程中“接地环路”是最常见。为了实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有既有低频直流信号，也有高频脉冲信号，既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号。

构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外，还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差，因而形成＂接地环路＂造成信号传输过程中失真。

因此，要保证系统稳定和可靠的运行，＂接地环路＂问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。

设计人员在设计电路时，常通过单点接地来避免形成环路，但有些接口要求在收发器之间进行接地连接。必须中断这种接地连接，同时维持从发送器到接收器的信息流。换言之，两个器件之间需要进行电流隔离。

方案一：

中断接地环路的可能方法之一是使用光耦合器。通过让光耦合器电缆的接地连接被消除，防止噪声电流在器件＃1与器件＃2之间流动，让信息以光的形式传输。

随着接口的性能和复杂度提高，这种方法会有局限性。光隔离接口可能变得复杂、昂贵，并且需要大量板空间。光耦合器的传播延迟相当大，只适用于低速信号。

当使用多个光耦合器时，LED和上拉电阻的功耗可能变得相当高。可以使用数字隔离技术来中断接地环路，接口性能则不受影响，而且应用电路简单，所需器件相对较少。数字隔离式是非光学隔离器，利用CMOS接口IC通过容性或磁性耦合来传输信息。

方案二：

利用一条USB电缆连接两个交流电源供电的器件可能会造成一个接地环路，从而中断总线通信。USB通信在一对双向差分线上进行。主器件控制总线并与外设通信。数据分组的方向由USB协议确定，而不是通过控制信号确定。主器件为外设提供电源和接地连接。USB电缆的这个接地连接与主机和外设的安全地形成一个接地环路，它可能导致外设的地电位相对主机的地电位移动，使得通信不可靠。

但，由于没有控制信号来指示数据是传输到下游（外设）还是上游（主机），因此隔离USB端口以消除电缆接地连接是一件很困难的事情。在无法访问控制总线的串行接口引擎（SIE）内部信号的情况下，确定数据方向的唯一办法是通过总线处理。SIE的信号之所以不可用，是因为SIE常常被集成到处理器中。

方案三：

①在所有现场设备不接地，使所有过程环路只有一个接地点，不能形成回路，这种方法看似简单，但在实际应用中往往很难实现，因为某些设备要求必须接地才能保证测量精度或确保人身安全，某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点。

②使两接地点的电势相同，但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响，这种方案其实在实际中无法完全做到。

③在各个过程环路中使用信号隔离方法，断开过程环路，同时又不影响过程信号的正常传输，从而彻底解决接地环路问题。

信号隔离重中之重——信号隔离器

在方法三③中介绍的方法是我们本文要讲的重点：使用隔离器（signal isolator）或称“信号隔离器”。

在隔离器中采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出。输入，输出和工作电源三者相互隔离，采用了先进的数字化技术，在对高、低频干扰信号的抑制方面表现卓越。

隔离器一般由输入信号处理单元、隔离单元、输出信号处理单元、电源等4部份构成。虽然实际应用中的隔离器基本上都是由上述四个单元构成，但输入、输出的类型和数量的不同，组成了种类繁多的型号。

见下图：