一文看懂数模转换器接口隔离技术和外围电路

1、数模转换器接口的隔离技术概述

由于数模转换器输出直接与被控对象相连，容易通过公共地线引入干扰，因此要采取隔离措施。通常采用光耦合器，使控制器和被控对象只有光的联系，达到隔离的目的。光耦合器由发光二极管和光敏二极管封装在同一管壳内组成，发光二极管的输入和光敏二极管的输出具有类似于普通晶体管的输入-输出特性。

（1）模拟信号隔离方法。利用光耦合器的线性区，可使数模转换器的输出电压经光耦合器变换成输出有直流电流，这样就实现了模拟信号的隔离。转换器的输出电压经两级光耦合器变换成输出电流，这样既满足了转换的隔离，又实现了电压/电流变换。为了取得良好的变换线性度和精度，在应用中应挑选线性好、传输比相同并始终工作在线性区的两只光耦合器。

模拟信号隔离方法的优点是：只使用少量的光耦合器，成本低；缺点是调试困难，如果光耦合器挑选不合适，将会影响变换的精度和线性度。

目前出现了集成的线性耦合芯片，在一个线性光耦合芯片里有两个线性好、传输比相同并始终工作在线性区的光耦合器，所以采用集成的光耦合就不存在挑选及调试困难的问题了。

（2）数字信号的隔离方法。利用光耦合器的开关特性，可以将转换器所需的数据信号和控制信号作为光耦合器的输入，其输出再接到数模转换器上，实现数字信号的隔离。数字信号隔离的优点是调试简单，不影响转换的精度和线性度，缺点是使用角度的光耦合器，成本较高。

很多变送器的输出信号为0～10mA或4～20mA，由于A/D转换器的输入信号只能是电压信号，所以如果模拟信号是电流时，必须先把电流变成电压才能进行A/D转换。这样就需要I/V变换电路。下面讨论一下I/V变换的实现方法。

（1）无源I/V变换：无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如下图所示。

对于0～10mA输入信号，可取R1=100，R2=500，且R2为精密电阻，这样当I为0～10mA电流时，输出的V为0～5V；对于4～20mA输入信号，可取R1=100，R2=250，且R2为精密电阻，这样当输入的电流为4～20mA时，输出的V为1～5V。

（2）有源I/V转换

有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻来实现，如下图所示。

该同相放大电路的放大倍数为：A=1+R4/R3

若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω，则0～10mA输入对应于0～5V的电压输出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，则4～20mA输入对应于1～5V的电压输出。

前置放大器的任务是将模拟输入的小信号放大到A/D转换的量程范围之内，为了能适应多种小信号的放大需求，可以设计可变增益放大器。

现在的一些变送器的输出都是标准的电压信号或标准的电流信号，前置放大器在A/D转换电路中不常用。

多路模拟开关是从多个模拟输入信号中切换选择所需输入通道模拟输入信号电路。场效应晶体管作为模拟开关而得到广泛应用。其优点是工作速度可达10的6次方次/3，导通电阻低（5~25欧），截止电阻高达10的1方欧。

采样保持电路能够跟踪或者保持输入模拟信号的电平值。在理想状况下，当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值。当电路处于采样状态时开关导通，这时电容充电，如果电容值很小，电容可以在很短的时间内完成充放电，这时，输出端输出信号跟随输入信号的变化而变化；当电路处于保持状态时开关断开，这是由于开关断开，以及集成运放的输入端呈高阻状态，电容放电缓慢，由于电容一端接由集成运放构成的信号跟随电路，所以输出信号基本保持为断开瞬间的信号电平值。