德國KNICK傳輸特性

 

信號傳輸所需的特性由多種因素決定。除了精度和信號傳輸速度方面的要求以外，還必須注意下游設備的輸入數(shù)據(jù)、要傳輸?shù)男盘柼匦砸约碍h(huán)境條件（適用時）。

3.1 電流或電壓傳輸

選擇隔離放大器或變送器的初步標準是要處理的輸入信號和所需的輸出信號。輸出信號一般由下游設備決定，如控制器、指示器、PLC、PCS等，許多此類設備具有電流或電壓輸入。

如果兩個選項均可用，應 電流信號，特別是傳輸路徑較長時（見圖14）。外加電流信號對干擾的敏感度遠低于電壓信號。

圖14：長距離傳輸測量信號

 

3.2 輸入電阻

現(xiàn)代隔離放大器的輸入電阻一般都經(jīng)過適當?shù)呐渲茫簩τ陔妷狠斎耄渥柚底銐蚋撸粚τ陔?流輸入，其阻值足夠低，使得所處理的信號幾乎無負載。僅少數(shù)幾種情況下（高源電阻的極低電壓信號或低負載能力的電流信號），輸入電阻才是隔離放大器的選擇 標準之一。專為分流應用而開發(fā)的VariTrans P 41000隔離放大器的輸入電阻約為100 kΩ，相對低于它隔離放大器。然而，對于電阻在mΩ范圍的分流應用，該電阻仍然比要求值高出幾個數(shù)量級。

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，輸入信號上的負載被規(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)型號不同，有源隔離放大器的zui大壓降為500 mV。在無源隔離器中，設備的電壓要求以及輸出端的負載電壓都會在輸入端產(chǎn)生壓降。因此，使用無源隔離器之前，應當知道測量信號的負載能力和隔離器輸出端 連接的負載。例外是具有負載停止功能的Knick無源隔離器：原邊提供的電流保持不變，獨立于輸出負載，不會產(chǎn)生反饋。

3.3 輸出負載能力

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

例如，假設在10 V的負載能力下可加載20 mA電流輸出，則在5 mA時負載為2 kΩ，10 mA時負載為1 kΩ。

因此，zui大允許負載電壓10 V這一規(guī)格適用于每一個電流值，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，其精度超過幾乎所有工業(yè)測量任務的需求。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 測量信號的質(zhì)量

盡可能高精度的輸入信號傳輸不僅是測量應用的需求。極性切換、信號波動過程中的過沖和 矩形波傳輸中的斜坡角度所引起的信號失真，是當今市場上許多隔離放大器的常見毛病。用戶zui初可能無法注意到這些不良特性。常常是在將設備投入正常使用 后，才檢測到一些無法解釋的測量誤差。對測量值進行周期性數(shù)字掃描時，過沖等引起的信號失真可能引起嚴重的測量誤差。因此，在Knick隔離放大器的開發(fā) 過程中，信號傳輸精度一直是一個非常重要的因素。

3.4.2 殘余紋波

原則上，隔離放大器和變送器的輸出信號上會疊加低干擾電壓。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，應盡可能低，否則將不能消除測量誤差，尤其是采用低調(diào)制時。

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。下降率用一個相對參數(shù)規(guī)定，例如%/K，或用一個值規(guī)定，例如nA/K或µA/K。對于值規(guī)格，應當檢查TC是折合到輸入端還是折合到輸出端。

示例：:

– 一個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，輸出電流變化20 • 10 nA = 200 nA。

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

3.6 失調(diào)電壓、失調(diào)電流

在實際的放大器中，即使輸入信號為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，它是一個與輸入信號串聯(lián)作用的輸入電壓或附加電壓（見圖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（見圖16）。在具有電壓輸入的放大器中， 失調(diào)電流在信號電壓源的內(nèi)部電阻上引起一個壓降，它會增加到輸入信號上。Knick隔離放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電流均非常低，在一般應用中可忽略不計。只 有非常特殊的應用才需要考慮失調(diào)影響，例如極小測量信號的1:1傳輸或高電阻信號的傳輸/放大。失調(diào)參數(shù)的極性取決于設備，因此其值為無正負符號的 值。

圖16：失調(diào)電流

 

3.7 截止頻率

原則上，隔離器和變送器設計用于直流電壓信號的傳輸或放大。為了能夠幾乎無延遲地傳輸 測量值的快速變化，Knick設備也能在一定范圍內(nèi)傳輸交流量。對于正弦信號，zui高截止頻率為12 kHz，具體值依型號而定。在電子和電信領域，截止頻率上限一般是指增益相對于直流增益衰減3 dB時的頻率，也就是說，它對應于約71%的直流增益（見圖17）。

圖17：截止頻率

 

3.8 共模行為

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

圖18：共模調(diào)制

 

由于信號線路的雜散拾波，或由于補償電流，共模電壓也可能成為共模干擾，例如在切換過 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。但在實踐中，人們更關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)生相同輸出信號的信號電壓V_d的對數(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。然而，放大器的共模抑制與頻率相關，隨著頻 率提高，它會變得相當?shù)汀Ｏ鄳兯推鞯脑吅透边吚@組之間的耦合容量對此效應有重大影響，該耦合容量無法通過合理努力來隨意降低。因此，對于脈沖形狀的直 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程（如可控硅控制的轉換器）均能引起瞬變共模電壓。 VariTrans P 40000系列隔離放大器實現(xiàn)了TransShield技術，能夠抑制此類共模脈沖。與傳統(tǒng)設計相比，它支持實現(xiàn)極為緊湊且低泄漏的高壓變壓器。空間方面 的優(yōu)勢使得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量誤差。相應的數(shù)據(jù)規(guī)格選擇了T-CMRR（瞬變共模抑制比）這一術語， 它描述壓擺率為1000 V/µs的瞬變干擾信號的差分直流增益與共模增益之比（見圖19）。

圖19：測量T-CMRR的測試電路

 

因此，VariTrans P 40000系列設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行測量。該系列隔離放大器實現(xiàn)了115 dB的T-CMRR。對50 Hz干擾的共模抑制為150 dB。