德國(guó)KNICK傳輸特性

 

信號(hào)傳輸所需的特性由多種因素決定。除了精度和信號(hào)傳輸速度方面的要求以外，還必須注意下游設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)、要傳輸?shù)男盘?hào)特性以及環(huán)境條件（適用時(shí)）。

3.1 電流或電壓傳輸

選擇隔離放大器或變送器的初步標(biāo)準(zhǔn)是要處理的輸入信號(hào)和所需的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)一般由下游設(shè)備決定，如控制器、指示器、PLC、PCS等，許多此類設(shè)備具有電流或電壓輸入。

如果兩個(gè)選項(xiàng)均可用，應(yīng) 電流信號(hào)，特別是傳輸路徑較長(zhǎng)時(shí)（見(jiàn)圖14）。外加電流信號(hào)對(duì)干擾的敏感度遠(yuǎn)低于電壓信號(hào)。

圖14：長(zhǎng)距離傳輸測(cè)量信號(hào)

 

3.2 輸入電阻

現(xiàn)代隔離放大器的輸入電阻一般都經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)呐渲茫簩?duì)于電壓輸入，其阻值足夠高；對(duì)于電 流輸入，其阻值足夠低，使得所處理的信號(hào)幾乎無(wú)負(fù)載。僅少數(shù)幾種情況下（高源電阻的極低電壓信號(hào)或低負(fù)載能力的電流信號(hào)），輸入電阻才是隔離放大器的選擇 標(biāo)準(zhǔn)之一。專為分流應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的VariTrans P 41000隔離放大器的輸入電阻約為100 kΩ，相對(duì)低于它隔離放大器。然而，對(duì)于電阻在mΩ范圍的分流應(yīng)用，該電阻仍然比要求值高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.2.1 輸入壓降

在采用電流輸入的各種隔離放大器中，以及在環(huán)路供電隔離器中，輸入信號(hào)上的負(fù)載被規(guī)定 為壓降，而不是輸入電阻。該壓降在正常工作條件下是恒定的，根據(jù)型號(hào)不同，有源隔離放大器的zui大壓降為500 mV。在無(wú)源隔離器中，設(shè)備的電壓要求以及輸出端的負(fù)載電壓都會(huì)在輸入端產(chǎn)生壓降。因此，使用無(wú)源隔離器之前，應(yīng)當(dāng)知道測(cè)量信號(hào)的負(fù)載能力和隔離器輸出端 連接的負(fù)載。例外是具有負(fù)載停止功能的Knick無(wú)源隔離器：原邊提供的電流保持不變，獨(dú)立于輸出負(fù)載，不會(huì)產(chǎn)生反饋。

3.3 輸出負(fù)載能力

電壓輸出的負(fù)載能力一般通過(guò)zui大電流表示。幾乎所有制造商都為電流輸出的負(fù)載能力一個(gè)電阻值。該規(guī)格并不能*正確地表示Knick隔離放大器輸出電流的負(fù)載能力。因此，傳統(tǒng)上將輸出負(fù)載能力為電壓值。

例如，假設(shè)在10 V的負(fù)載能力下可加載20 mA電流輸出，則在5 mA時(shí)負(fù)載為2 kΩ，10 mA時(shí)負(fù)載為1 kΩ。

因此，zui大允許負(fù)載電壓10 V這一規(guī)格適用于每一個(gè)電流值，而500 Ω僅適用于20 mA輸出電流。

3.4 傳輸精度

Knick的許多隔離放大器以出色的低傳輸誤差而著稱，其精度超過(guò)幾乎所有工業(yè)測(cè)量任務(wù)的需求。Knick為隔離放大器和變送器提供5年質(zhì)保，質(zhì)保期結(jié)束后，Knick隔離器的穩(wěn)定性仍可確保zui高傳輸精度。

3.4.1 測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量

盡可能高精度的輸入信號(hào)傳輸不僅是測(cè)量應(yīng)用的需求。極性切換、信號(hào)波動(dòng)過(guò)程中的過(guò)沖和 矩形波傳輸中的斜坡角度所引起的信號(hào)失真，是當(dāng)今市場(chǎng)上許多隔離放大器的常見(jiàn)毛病。用戶zui初可能無(wú)法注意到這些不良特性。常常是在將設(shè)備投入正常使用 后，才檢測(cè)到一些無(wú)法解釋的測(cè)量誤差。對(duì)測(cè)量值進(jìn)行周期性數(shù)字掃描時(shí)，過(guò)沖等引起的信號(hào)失真可能引起嚴(yán)重的測(cè)量誤差。因此，在Knick隔離放大器的開(kāi)發(fā) 過(guò)程中，信號(hào)傳輸精度一直是一個(gè)非常重要的因素。

3.4.2 殘余紋波

原則上，隔離放大器和變送器的輸出信號(hào)上會(huì)疊加低干擾電壓。這些干擾電壓是由斬波器頻率和交流電源饋越(feedover)等引起的。干擾電壓的幅度稱為殘余紋波，應(yīng)盡可能低，否則將不能消除測(cè)量誤差，尤其是采用低調(diào)制時(shí)。

3.5 溫度系數(shù)（增益下降）

溫度系數(shù)或增益下降是反映溫度變化引起增益變化的特性。下降率用一個(gè)相對(duì)參數(shù)規(guī)定，例如%/K，或用一個(gè)值規(guī)定，例如nA/K或µA/K。對(duì)于值規(guī)格，應(yīng)當(dāng)檢查TC是折合到輸入端還是折合到輸出端。

示例：:

– 一個(gè)隔離放大器輸出端的溫度系數(shù)zui大值為10 nA/K。
溫度變化20 K時(shí)，輸出電流變化20 • 10 nA = 200 nA。

– 一個(gè)隔離放大器的TC為0.0025 %/K。
溫度變化20 K時(shí)，增益變化20 • 0.0025% = 0.05%。

3.6 失調(diào)電壓、失調(diào)電流

在實(shí)際的放大器中，即使輸入信號(hào)為0，輸出變量也不是正好為0。放大器的輸入失調(diào)電壓定義為使輸出變?yōu)?而必須在輸入端施加的電壓。因此，它是一個(gè)與輸入信號(hào)串聯(lián)作用的輸入電壓或附加電壓（見(jiàn)圖15）。

圖15：失調(diào)電壓

 

放大器的輸入失調(diào)電流同樣用作附加輸入信號(hào)（見(jiàn)圖16）。在具有電壓輸入的放大器中， 失調(diào)電流在信號(hào)電壓源的內(nèi)部電阻上引起一個(gè)壓降，它會(huì)增加到輸入信號(hào)上。Knick隔離放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電流均非常低，在一般應(yīng)用中可忽略不計(jì)。只 有非常特殊的應(yīng)用才需要考慮失調(diào)影響，例如極小測(cè)量信號(hào)的1:1傳輸或高電阻信號(hào)的傳輸/放大。失調(diào)參數(shù)的極性取決于設(shè)備，因此其值為無(wú)正負(fù)符號(hào)的 值。

圖16：失調(diào)電流

 

3.7 截止頻率

原則上，隔離器和變送器設(shè)計(jì)用于直流電壓信號(hào)的傳輸或放大。為了能夠幾乎無(wú)延遲地傳輸 測(cè)量值的快速變化，Knick設(shè)備也能在一定范圍內(nèi)傳輸交流量。對(duì)于正弦信號(hào)，zui高截止頻率為12 kHz，具體值依型號(hào)而定。在電子和電信領(lǐng)域，截止頻率上限一般是指增益相對(duì)于直流增益衰減3 dB時(shí)的頻率，也就是說(shuō)，它對(duì)應(yīng)于約71%的直流增益（見(jiàn)圖17）。

圖17：截止頻率

 

3.8 共模行為

若將相同電壓V_cm施加于對(duì)稱放大器兩個(gè)輸入端的地，則輸入電壓V_in仍為0， 這種工作模式稱為共模調(diào)制。在理想的對(duì)稱放大器中，輸出電壓V_out也將保持0。實(shí)際放大器則不是這樣，也就是說(shuō)，輸出端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)偏離0的電壓（見(jiàn)圖18）。當(dāng)信號(hào)電壓不是處在地電位時(shí)，也就是（兩條）輸入線與地之間存在電位差時(shí)，共模調(diào)制始終存在，例如當(dāng)測(cè)量一個(gè)電位高于地的分流電阻上的電壓時(shí)。

圖18：共模調(diào)制

 

由于信號(hào)線路的雜散拾波，或由于補(bǔ)償電流，共模電壓也可能成為共模干擾，例如在切換過(guò) 程中。施加的共模電壓與產(chǎn)生的輸出電壓之比稱為共模增益。但在實(shí)踐中，人們更關(guān)注放大器共模行為與理想值的偏差，即所謂共模抑制。共模抑制比CMRR規(guī)定 為差模與共模增益之比，或施加的共模電壓V_cm與可產(chǎn)生相同輸出信號(hào)的信號(hào)電壓V_d的對(duì)數(shù)比：CMRR = 20 • log (V_cm/V_d) [dB].

示例：

共模抑制為120 dB，V_cm = 800 V，隔離放大器的共模調(diào)制在輸入端引起的共模誤差為V_d = 800 V/10^120/20 = 0.8 mV。對(duì)于輸入靈敏度為60 mV的隔離放大器，共模誤差約為滿量程的1.3%。對(duì)于直流和低頻交流范圍(50 Hz)內(nèi)的共模電壓，一般很容易實(shí)現(xiàn)高共模抑制性能。在該范圍內(nèi)，Knick隔離放大器的共模誤差可忽略不計(jì)。然而，放大器的共模抑制與頻率相關(guān)，隨著頻 率提高，它會(huì)變得相當(dāng)?shù)?。相?yīng)變送器的原邊和副邊繞組之間的耦合容量對(duì)此效應(yīng)有重大影響，該耦合容量無(wú)法通過(guò)合理努力來(lái)隨意降低。因此，對(duì)于脈沖形狀的直 流電壓或快速變化的直流電壓，共模抑制比顯著降低。

單次或周期性切換過(guò)程（如可控硅控制的轉(zhuǎn)換器）均能引起瞬變共模電壓。 VariTrans P 40000系列隔離放大器實(shí)現(xiàn)了TransShield技術(shù)，能夠抑制此類共模脈沖。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，它支持實(shí)現(xiàn)極為緊湊且低泄漏的高壓變壓器。空間方面 的優(yōu)勢(shì)使得VariTrans P 41000分流隔離器可以安裝在僅22.5 mm寬的模塊式外殼中。高瞬變等共模干擾被可靠地隔離，很難在輸出端引起測(cè)量誤差。相應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)格選擇了T-CMRR（瞬變共模抑制比）這一術(shù)語(yǔ)， 它描述壓擺率為1000 V/µs的瞬變干擾信號(hào)的差分直流增益與共模增益之比（見(jiàn)圖19）。

圖19：測(cè)量T-CMRR的測(cè)試電路

 

因此，VariTrans P 40000系列設(shè)備特別適合在有共模脈沖電壓或快速變化的共模電壓的分流電阻上進(jìn)行測(cè)量。該系列隔離放大器實(shí)現(xiàn)了115 dB的T-CMRR。對(duì)50 Hz干擾的共模抑制為150 dB。