量測時的隔離類型與注意事項

隔離是透過物理和電氣方式將儀器中的兩個零件分開的方式。隔離一詞用於儀器時，多半是指電氣隔離，也就是說，系統中兩個彼此隔離的零件之間，不會有電流通過。電氣隔離有幾項不同的優勢，但就量測準確度而言，其中一項最大的優勢在於能透過隔離方式中斷接地迴路。

隔離也運用物理與電阻擋層，將使用者或重要的電路元件與高電壓或高暫態電壓隔開，能發揮安全作用，我們將在後續的章節中討論。

首先快速複習一下接地迴路，請參閱「儀器量測基本概念系列」中的提升量測效能的接地注意事項技術文章。

接地迴路

接地迴路是擷取應用中最常見的雜訊源。如電路中的兩個接線端點在不同的接地電位，這兩點之間就會產生電流。這樣的電位差會使電壓量測值 V_m 出錯 (使用方程式 1 即可計算出這個電壓值)。

方程式 1： 有接地迴路的電壓量測值。

其中：

= 電壓量測值

  = 訊號電壓

  = 訊號源接地與儀器接地之間的電壓差

《量測時的接地注意事項》技術文章探討如何透過確認訊號源和量測系統設定中只有一個接地參考，從而消除接地迴路。不過，使用隔離硬體時也會消除接地迴路，因為使用隔離硬體會阻擋電流在訊號源接地與量測系統接地之間的流動路徑。

一般而言，隔離拓撲分三種不同的類型，分別從低度保護排列到高度保護：

• 通道對地隔離
• 組間 (通道對匯流排) 隔離
• 通道對通道隔離

通道對地隔離

以儀器來說，這是保護程度最低的隔離方式。請見圖 1 的通道對接地隔離示意圖。AI 1、AI 2 與 AI 的電壓並非相互隔離；不過，這些電壓與儀器接地之間是隔離的。這種隔離拓撲會中斷 AI 1 與接地之間的接地迴路，但由於 AI 1 和 AI 2 未彼此隔離，因此，出現在 AI 1 的電流也有可能會在 AI 2 引發電壓。

^{圖 1：通道對地隔離不會將通道彼此隔離，但會隔離通道與儀器接地。}

組間 (通道對匯流排) 隔離

組間隔離又稱通道對匯流排隔離，是將幾條實際線路內建在群組中，這種群組就稱為「組」。相關架構請見圖 2。不同組的通道之間有著隔離阻擋層，因此，組間的接地迴路保護程度較高。不過，在這樣的拓撲中，同一組通道的訊號仍可能相互影響。

^{圖 2：在組間隔離中，不同組間的接地迴路保護程度較高。}

通道對通道隔離

這類拓撲能針對儀器線路訊號發揮最完整的保護作用，原因在於，除了所有通道皆與接地隔離之外，每個通道皆與所有其他各個通道隔離。請見圖 3 的這類拓樸示意圖。

^{圖 3：通道對通道隔離中的每個通道皆與其他所有各個通道隔離。}

無論是哪一種儀器隔離拓撲，都能使用兩種不同的方法隔離類比輸入或輸出通道。兩種方式的差別在於隔離電路在儀器中的位置。類比隔離是指隔離電路在類比轉數位轉換器 (ADC) 之前，在路徑中的位置，會按照類比訊號作動。數位隔離是指隔離電路在 ADC 之後的位置，因為數位隔離是按照最新數位化的資料作動。

類比隔離

隔離放大器是常見的零件之一，能在儀器的類比前端發揮隔離作用。如圖 4 所示，從感測器傳入 I/O 接頭的類比資料經增益放大器傳入隔離放大器，接著再傳至 ADC。

^{圖 4：隔離放大器是常見的零件之一，可在儀器的類比前端提供隔離功能。}

類比隔離的一大優勢，在於能夠保護 ADC。由於隔離作用會在 ADC 之前發生，ADC 被暫態電壓或高電壓損壞的機率較低。不過，類比隔離也有缺點。首先，類比隔離並不完美，而且位在 ADC 之前，所以，類比訊號到達 ADC 之前，可能多出增益、非線性或偏移誤差。這並非理想情況，而且可能會降低量測準確度。此外，類比隔離元件可能會拉長趨穩時間，成本通常也比數位隔離元件更高。

數位隔離

數位隔離電路與類比隔離相反，是位在儀器中的 ADC 之後，如圖 5 所示。

^{圖 5：數位隔離電路與類比隔離相反，是位在儀器中的 ADC 之後。}

相較於類比隔離電路，數位隔離能發揮更好的效能與準確度，這是因為量測訊號在被 ADC 數位化之前幾乎沒有任何變化。數位隔離電路也有勝過類比隔離電路的優點，因為其整體成本通常較低，還能發揮較高的資料傳輸速度。不過，數位隔離電路位在 ADC 之後，所以，電壓突波所導致的損壞較容易影響 ADC。

我們已經討論過常見的儀器隔離拓撲，以及隔離在儀器訊號的應用之後，但還沒有討論過隔離阻擋層，或是訊號穿過隔離阻擋層的方式。本節快速說明隔離阻擋層，之後會說明三種常見的隔離類型，這些隔離類型運用不同的技術讓訊號資料的傳輸穿過隔離阻擋層。

物理隔離是最基本的隔離方式，意指兩組電力系統之間以物理隔離阻擋層相隔。兩個電氣系統的隔離層，可能是絕緣層、氣隙層，抑或是任何非傳導路徑。純物理隔離表示電力系統之間不會進行訊號傳輸。處理隔離的量測系統時，相關訊號必須穿過隔離阻擋層，而且要避免使用接地迴路。因此，必須讓訊號能量傳輸 (或偶合) 穿過隔離阻擋層。接下來討論讓訊號傳輸穿過隔離層的三種常見技術。

電容隔離

電容隔離如圖 6 所示，是以電場為能量形式，將訊號傳輸穿過隔離阻擋層。電場會改變電容器的電荷準位。在整個隔離阻擋層都能偵測到這個電荷，而所偵測到的電荷會與測得訊號的準位成正比。

^{圖 6： 電容隔離是以電場為能量形式，將訊號傳輸穿過隔離阻擋層。}

電感隔離

電感隔離使用如圖 7 所示的轉換器，讓訊號傳輸穿過隔離阻擋層。轉換器會產生與測得訊號成正比的電磁場，以能量形式穿過隔離阻擋層。

^{圖 7： 電感隔離使用標註上述符號的轉換器，將訊號傳輸穿過隔離阻擋層。}

就像電容偶合一樣，電感隔離的資料傳輸率相對較高。除了高速傳輸之外，電感偶合還使用低功率傳輸資料。不過，電感偶合是以電磁場的方式穿過隔離阻擋層，因此容易受週圍磁場干擾。如果外在磁場確實會干擾轉換器產生的電磁場，就有可能會影響量測準確度。

光學隔離

光學隔離使用 LED 和光感測器，將訊號資訊傳輸穿過隔離阻擋層。光學隔離的隔離阻擋層通常是氣隙層，會運用光線傳輸訊號。LED 產生的光強度與量測訊號成正比。

^{圖 8：光學隔離使用 LED 和光感測器，將訊號資訊傳輸穿過隔離阻擋層。}

光學隔離以光為能量，將量測訊號傳輸穿過隔離阻擋層，因此能避免電場與磁場干擾。在電場或磁場可能較強的工業區域中，光學隔離會是相當實用的技術。使用光線也是優缺點參半。光學隔離的資料傳輸率通常較低，因為傳輸率受限於 LED 的切換速度。相較於電容隔離和電感隔離，光學隔離的功率耗散也相對較高。

• 隔離是透過物理和電氣方式將儀器中的兩個零件分開的方式。
• 隔離量測系統的主要優點是能中斷接地迴路，以利提高量測重要訊號時的準確度。
• 您可以根據用途選擇最符合系統需求的隔離拓撲。
  • 通道對接地隔離會隔離通道與儀器接地。
  • 組間 (通道對匯流排) 隔離會將線路群組 (組) 與其他線路群組以及儀器接地隔離。
  • 通道對通道隔離會將每條線路彼此隔離，也將每條線路與儀器接地隔離。
• 類比隔離電路會保護 ADC，避免 ADC 受高電壓和暫態電壓影響，但訊號有可能會到達 ADC 之前多了增益、非線性以及偏移誤差。
• 數位隔離電路對 ADC 不具保護作用，這種隔離方式勝過類比隔離的優點包括成本較低、資料傳輸速度較快、準確度也較高，原因在於訊號到達 ADC 之前幾乎沒有變化。
• 隔離類型概述： 

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