使用USB進(jìn)行測(cè)量應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和潛在危險(xiǎn)

如果對(duì)以上問題1或2的答案是肯定的，就需要確保你的系統(tǒng)具有隔離措施。隔離能保護(hù)PC免受損害，通過在電路間物理隔離電氣連接來保護(hù)你的數(shù)據(jù)完整性，即限制可能有害的電壓或電流經(jīng)過你的系統(tǒng)。也可通過給系統(tǒng)添加信號(hào)調(diào)理配件來提供隔離，這樣價(jià)格會(huì)很昂貴，或者一開始就選擇帶隔離的USB數(shù)據(jù)采集模塊。

我們來更仔細(xì)分析這些應(yīng)用環(huán)境，從每個(gè)案例中了解隔離的作用。

案例1： ESD、閃電或電源浪涌

圖1展示了一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，其中一個(gè)傳感器正在測(cè)量待測(cè)設(shè)備的電壓。該傳感器一頭連接到USB數(shù)據(jù)采集模塊，另一頭連接到PC。

ESD、閃電以及電源浪涌產(chǎn)生突發(fā)的瞬時(shí)過壓，即使時(shí)間很短，也可能損害整個(gè)系統(tǒng)中的電子元件。如果USB數(shù)據(jù)采集模塊沒有隔離(見圖2)，這些事件產(chǎn)生的電流回流通過整個(gè)系統(tǒng)，最后到達(dá)PC并且可能損害PC和其他系統(tǒng)部件。

一些數(shù)據(jù)采集方案供應(yīng)商所提供的未隔離模塊在出現(xiàn)瞬時(shí)過壓時(shí)事實(shí)上會(huì)鎖死整個(gè)系統(tǒng)，從而不得不重啟系統(tǒng)。在測(cè)量應(yīng)用中這種行為是不能接受的。

與之對(duì)比的是，隔離的模塊(圖3中顯示)通過模塊的地平面釋放有害的電流，來保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。

即使引入的瞬時(shí)電壓很小不足以損害系統(tǒng)，也要小心你的數(shù)據(jù)可能包含很大的錯(cuò)誤，特別在高分辨率的情況下。例如，如果使用具有16位分辨率的USB模塊來測(cè)量±10V 電壓范圍的信號(hào)，LSB值是0.31mV(見表1)。如果這個(gè)模塊未隔離，同時(shí)電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬時(shí)電壓，數(shù)據(jù)因此可能偏差數(shù)百毫伏。甚至在靜態(tài)環(huán)境中，你的數(shù)據(jù)也可能偏差幾十毫伏。當(dāng)測(cè)量低電平的信號(hào)時(shí)這算得上是巨大的差錯(cuò)。

如果需要高精度、低噪聲的測(cè)量，隔離至關(guān)重要。Data Translation公司所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，都提供高達(dá)500V的電氣隔離。電氣隔離把輸入信號(hào)中的能量轉(zhuǎn)化成輸出信號(hào)在模塊的地平面上流走。結(jié)果，你的計(jì)算機(jī)保持安全，測(cè)量結(jié)果更加精確。

以DT9801模塊為例，通過使用下列的元件提供高達(dá)500V的電氣隔離：

1. 變壓器：從無延遲的快速時(shí)鐘信號(hào)中轉(zhuǎn)換能量；

2. 光隔離器：從帶有幾十毫秒延遲的較慢的控制信號(hào)中轉(zhuǎn)化能量；

3. 差分容性耦合：從帶有1毫秒延遲的慢速數(shù)據(jù)通道中轉(zhuǎn)化能量。

案例2 ：不同的地電位

單端模擬輸入是參考大地的未隔離的輸入。在未隔離系統(tǒng)中，甚至數(shù)字I/O信號(hào)都連到同樣的地上。如果待測(cè)系統(tǒng)和USB數(shù)據(jù)采集模塊共享同樣的地(通過連到建筑物的電源系統(tǒng))，兩個(gè)設(shè)備地電位間的差別是實(shí)際存在的(超過100mV)?？焖匍_關(guān)電流必須沿著5米長(zhǎng)的USB線纜流到PC。