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传输特性

信号传输所需的特性由多种因素决定。除了精度和信号传输速度方面的要求以外,还必须注意下游设备的输入数据、要传输的信号特性以及环境条件(适用时)。

3.1 电流或电压传输

选择隔离放大器或变送器的初步标准是要处理的输入信号和所需的输出信号。输出信号一般由下游设备决定,如控制器、指示器、PLC、PCS等,许多此类设备具有电流或电压输入。

如果两个选项均可用,应首选电流信号,特别是传输路径较长时(见图14)。外加电流信号对干扰的敏感度远低于电压信号。

长距离传输测量信号

图14:长距离传输测量信号

 

3.2 输入电阻

现代隔离放大器的输入电阻一般都经过适当的配置:对于电压输入,其阻值足够高;对于电 流输入,其阻值足够低,使得所处理的信号几乎无负载。仅少数几种情况下(高源电阻的极低电压信号或低负载能力的电流信号),输入电阻才是隔离放大器的选择 标准之一。专为分流应用而开发的VariTrans P 41000隔离放大器的输入电阻约为100 kΩ,相对低于它隔离放大器。然而,对于电阻在mΩ范围的分流应用,该电阻仍然比要求值高出几个数量级。

3.2.1 输入压降

在采用电流输入的各种隔离放大器中,以及在环路供电隔离器中,输入信号上的负载被规定 为压降,而不是输入电阻。该压降在正常工作条件下是恒定的,根据型号不同,有源隔离放大器的最大压降为500 mV。在无源隔离器中,设备的电压要求以及输出端的负载电压都会在输入端产生压降。因此,使用无源隔离器之前,应当知道测量信号的负载能力和隔离器输出端 连接的负载。例外是具有负载停止功能的Knick无源隔离器:原边提供的电流保持不变,独立于输出负载,不会产生反馈。

3.3 输出负载能力

电压输出的负载能力一般通过最大电流表示。几乎所有制造商都为电流输出的负载能力指定一个电阻值。该规格并不能完全正确地表示Knick隔离放大器输出电流的负载能力。因此,传统上将输出负载能力指定为电压值。

例如,假设在10 V的负载能力下可加载20 mA电流输出,则在5 mA时负载为2 kΩ,10 mA时负载为1 kΩ。

因此,最大允许负载电压10 V这一规格适用于每一个电流值,而500 Ω仅适用于20 mA输出电流。

3.4 传输精度

Knick的许多隔离放大器以出色的低传输误差而著称,其精度超过几乎所有工业测量任务的需求。Knick为隔离放大器和变送器提供5年质保,质保期结束后,Knick隔离器的长期稳定性仍可确保最高传输精度。

3.4.1 测量信号的质量

尽可能高精度的输入信号传输不仅是测量应用的需求。极性切换、信号波动过程中的过冲和 矩形波传输中的极端斜坡角度所引起的信号失真,是当今市场上许多隔离放大器的常见毛病。用户最初可能无法注意到这些不良特性。常常是在将设备投入正常使用 后,才检测到一些无法解释的测量误差。对测量值进行周期性数字扫描时,过冲等引起的信号失真可能引起严重的测量误差。因此,在Knick隔离放大器的开发 过程中,信号传输精度一直是一个非常重要的因素。

3.4.2 残余纹波

原则上,隔离放大器和变送器的输出信号上会叠加低干扰电压。这些干扰电压是由斩波器频率和交流电源馈越(feedover)等引起的。干扰电压的幅度称为残余纹波,应尽可能低,否则将不能消除测量误差,尤其是采用低调制时。

3.5 温度系数(增益下降)

温度系数或增益下降是反映温度变化引起增益变化的特性。下降率用一个相对参数规定,例如%/K,或用一个绝对值规定,例如nA/K或µA/K。对于绝对值规格,应当检查TC是折合到输入端还是折合到输出端。

示例::

– 一个隔离放大器输出端的温度系数最大值为10 nA/K。
温度变化20 K时,输出电流变化20 • 10 nA = 200 nA。

– 一个隔离放大器的TC为0.0025 %/K。
温度变化20 K时,增益变化20 • 0.0025% = 0.05%。

3.6 失调电压、失调电流

在实际的放大器中,即使输入信号为0,输出变量也不是正好为0。放大器的输入失调电压定义为使输出变为0而必须在输入端施加的电压。因此,它是一个与输入信号串联作用的输入电压或附加电压(见图15)。

失调电压

图15:失调电压

 

放大器的输入失调电流同样用作附加输入信号(见图16)。在具有电压输入的放大器中, 失调电流在信号电压源的内部电阻上引起一个压降,它会增加到输入信号上。Knick隔离放大器的失调电压和失调电流均非常低,在一般应用中可忽略不计。只 有非常特殊的应用才需要考虑失调影响,例如极小测量信号的1:1传输或极高电阻信号的传输/放大。失调参数的极性取决于设备,因此其值为无正负符号的绝对 值。

失调电流

图16:失调电流

 

3.7 截止频率

原则上,隔离器和变送器设计用于直流电压信号的传输或放大。为了能够几乎无延迟地传输 测量值的快速变化,Knick设备也能在一定范围内传输交流量。对于正弦信号,最高截止频率为12 kHz,具体值依型号而定。在电子和电信领域,截止频率上限一般是指增益相对于直流增益衰减3 dB时的频率,也就是说,它对应于约71%的直流增益(见图17)。

截止频率

图17:截止频率

 

3.8 共模行为

若将相同电压Vcm施加于对称放大器两个输入端的地,则输入电压Vin仍为0, 这种工作模式称为共模调制。在理想的对称放大器中,输出电压Vout也将保持0。实际放大器则不是这样,也就是说,输出端会出现一个偏离0的电压(见图18)。当信号电压不是处在地电位时,也就是(两条)输入线与地之间存在电位差时,共模调制始终存在,例如当测量一个电位高于地的分流电阻上的电压时。

共模调制

图18:共模调制

 

由于信号线路的杂散拾波,或由于补偿电流,共模电压也可能成为共模干扰,例如在切换过 程中。施加的共模电压与产生的输出电压之比称为共模增益。但在实践中,人们更关注放大器共模行为与理想值的偏差,即所谓共模抑制。共模抑制比CMRR规定 为差模与共模增益之比,或施加的共模电压Vcm与可产生相同输出信号的信号电压Vd的对数比:CMRR = 20 • log (Vcm/Vd) [dB].

示例:
共模抑制为120 dB,Vcm = 800 V,隔离放大器的共模调制在输入端引起的共模误差为Vd = 800 V/10120/20 = 0.8 mV。对于输入灵敏度为60 mV的隔离放大器,共模误差约为满量程的1.3%。对于直流和低频交流范围(50 Hz)内的共模电压,一般很容易实现高共模抑制性能。在该范围内,Knick隔离放大器的共模误差可忽略不计。然而,放大器的共模抑制与频率相关,随着频 率提高,它会变得相当低。相应变送器的原边和副边绕组之间的耦合容量对此效应有重大影响,该耦合容量无法通过合理努力来随意降低。因此,对于脉冲形状的直 流电压或快速变化的直流电压,共模抑制比显著降低。

单次或周期性切换过程(如可控硅控制的转换器)均能引起瞬变共模电压。 VariTrans P 40000系列隔离放大器实现了TransShield技术,能够抑制此类共模脉冲。与传统设计相比,它支持实现极为紧凑且低泄漏的高压变压器。空间方面 的优势使得VariTrans P 41000分流隔离器可以安装在仅22.5 mm宽的模块式外壳中。高瞬变等共模干扰被可靠地隔离,很难在输出端引起测量误差。相应的数据规格选择了T-CMRR(瞬变共模抑制比)这一术语, 它描述压摆率为1000 V/µs的瞬变干扰信号的差分直流增益与共模增益之比(见图19)。

测量T-CMRR的测试电路

图19:测量T-CMRR的测试电路

 

因此,VariTrans P 40000系列设备特别适合在有共模脉冲电压或快速变化的共模电压的分流电阻上进行测量。该系列隔离放大器实现了115 dB的T-CMRR。对50 Hz干扰的共模抑制为150 dB。

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