在当今数字时代，解决问题的范式发生了显著变化，将智能引入边缘成为应对全新复杂挑战的关键策略。数据采集（DAQ）系统作为边缘智能的，其准确度和可靠性在各个领域都显得至关重要。为了确保数据采集达到高准确度和完整性，隔离式精密信号链的重要性日益凸显。

了解隔离式精密信号链

隔离式精密信号链是一种专门设计用于精密准确地采集和处理信号，同时与周围环境保持电气隔离的系统或电路。隔离通常是一系列信号调理级的一部分，主要具有两个重要作用：确保安全性和数据完整性。

隔离技术还具备诸多优点：

• 减少噪声和干扰：通过采用如变压器或合器等电气隔离技术，信号链能够有效消除共模电压变化、接地环路和电磁干扰（EMI）。这可以防止外部噪声源对采集信号造成破坏，确保测量结果更加干净、准确。
• 消除接地环路：接地环路可能会引入电压差，导致测量信号失真。隔离技术能够断开接地环路，有效消除地电位变化引起的干扰，从而提高测量准确度。
• 安全和保护：隔离栅可以防止危险的电压尖峰、瞬变或浪涌到达敏感的测量，确保电气安全。这不仅能保护测量电路和相连器件，还能保护在系统上工作的终用户和设计人员，避免他们遭遇电气危险。

隔离式精密信号链由一系列元器件和技术组成，协同工作以确保测量和数据完整性。其关键元器件通常包括精密放大器、隔离栅、滤波元件和高分辨率模数转换器（ADC）。这些元器件相互配合，消除噪声、减少干扰并提供准确的表现信号。

图 1：采用这些关键元器件的隔离式精密信号链的示例

此示例展示的是一个单通道、完全隔离、低延迟的数据采集系统。该解决方案将 PGIA 信号调理、数字和电源隔离集成到了一个紧凑的电路板内。接下来，我们将详细讨论每个模块的性能以及与非隔离模块相比的优势。

数据和电源隔离

Pmod?至 FMC 转接板装有数据隔离器、稳压器和变压器，用于实现电气隔离。电气隔离是一种分离电路以消除杂散电流的设计技术，有助于在电气隔离的电路之间传递信号，并阻挡杂散电流（例如由地电位差或交流电源引入的电流）。

首先，通过 ADuM152N 和 ADuM120N 3 kV rms 数据隔离器实现数据隔离。这些数据隔离器具有较高的共模瞬变抗扰度（CMTI），对辐射和传导噪声具有很强的抗干扰能力，同时传输延迟和动态功耗均很低。与光等典型替代品相比，它们具有优越的性能特性。具体而言，传输延迟为 13 ns，脉冲宽度失真小于 5 ns。这两款器件的通道间传输延迟匹配非常严格，值分别为 4.0 ns 和 3.0 ns。

其次，隔离式精密信号链需要一套满足信号链要求的隔离电源电路。该电路不应影响精密信号链的性能，设计时必须确保电源电路辐射很低，同时高效且符合安全要求。

LT3999 低噪声推挽式 DC - DC 驱动器是用于电源隔离的理想选择。它内置限流值可编程的 1 A 双通道开关，开关频率可在 50 kHz 至 1 MHz 范围内调节（也可同步至外部时钟），工作输入范围为 2.7 V 至 36 V，关断电流小于 1 μA。推挽拓扑结构易于设计和实施，仅使用少量元件，并且由于其固有的对称拓扑结构，工作时的电磁辐射骚扰非常低。

图 2：参考平台隔离电源电路框图

如图 2 所示，参考平台上的电源电路设计使得 FMC 连接器的 12 V 电压可以作为数据采集板所需的电源，同时实现隔离。为了实现这些目标，电路上的 LT3999 驱动脉冲电子 PH9085.083NL 2.5 kV rms 隔离电源变压器。

图 3：LT3999 推挽转换器输出电压调节

LT3999 电源转换器产生未经稳压处理的输出电压，该输出电压会随着负载的增加而下降。参考平台可选配一个低压差后级线性稳压器（ADP7105），以便在需要时提供稳定的 3.3 V 输出。通过转接板对整个测量或数据采集电路进行电气隔离，可以有效降低共模电压变化和外部噪声源的影响，证明这是一种准确、经济、高效的测量电路隔离方法。

图 4：精密中等带宽信号链

保持准确度

除了实施隔离技术外，信号链内部的模块也必须严格匹配。每个元器件都会对整个信号链的性能产生影响，这对于保持整个系统的准确度至关重要。

精密放大器具有高准确度、低噪声和低失调电压等特点，能够提供的信号调理和放大功能，确保真实地呈现所采集的信号，而不会引入额外的失真或偏移。此外，通常会采用低通滤波器等滤波元件来衰减高频噪声和不需要的信号，只允许所需的信号通过信号链，进一步提高测量信号的准确度和完整性。，使用高分辨率 ADC 将模拟信号转换为数字格式，以供进一步处理或分析。这些 ADC 具有高采样速率和出色的分辨率，能够对模拟信号进行的数字化处理。

参考平台内的数据采集板展示了一种由多个器件组成的分立式可编程增益仪表放大器（PGIA），包括：

• ADA4627 - 1：高速、低噪声、低偏置电流、JFET
• LT5400：精密四通道匹配电阻网络
• ADG1209：低电容、4 通道、±15 V/+12 V iCMOS? 多路复用器
• ADAQ4003 的内部全差分放大器（FDA）ADC 驱动器

前端的 PGIA 提供高输入阻抗，支持与各种传感器直接连接。为了使电路适应不同的输入信号幅度（单极性或双极性和单端或差分信号，具有可变共模电压），通常需要可编程增益。PGIA 与 18 位、2 MSPS、μModule? 数据采集解决方案 ADAQ4003 配合使用。

图 5：不同增益下 DNL 与代码的关系

图 6：不同增益下 INL 与代码的关系

为了验证参考平台的静态性能，分别测量了积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）。图 5 和图 6 展示了不同增益下 DNL 和 INL 误差与代码的关系。DNL 误差的典型偏差为 ±0.6 LSB，这意味着无失码的单调转换函数。同时，INL 误差的典型偏差为 ±2.097 LSB，呈现明显的 S 形，表明奇次谐波占主导地位。这些结果表明，整个信号链具有足够高的线性度。

尽量减少噪声和干扰

来自元器件或外部的噪声和干扰是数据采集中常见的挑战。隔离式精密信号链通过采用稳健的隔离栅、屏蔽、接地和滤波技术来解决这些问题。μModule ADAQ4003 本身采用了降噪技术，支持高保真信号捕获。

μModule 器件内部的 ADC 驱动器输出和 ADC 输入之间放置了一个单极点低通 RC 滤波器，其主要用途包括：消除高频噪声；减少来自内部 SAR ADC 输入的电荷反冲；尽可能提高建立时间和输入信号带宽。此外，μModule 器件的布局确保了模拟和数字路径分离，避免信号交越，减轻辐射噪声。

在评估特定数据采集系统的性能时，有几个动态参数非常重要，本文主要讨论其中三个：

• 动态范围：指器件本底噪声与其额定输出水平之间的范围，对于确定不受噪声影响的电压增量至关重要。使用 5 V 基准电压进行测试，输入短接到地，输出数据速率为 2 MSPS。不同增益下的动态范围如图 7 所示，增益设置下的典型值为 93 dB；增益设置下的典型值为 100 dB。将过采样率增加到 1024 倍可进一步改善测量结果，值分别达到 123 dB 和 130 dB。

图 7：动态范围

• 折合到输出端的等效总噪声：使用相关公式求解，结果低至 1.12 μV rms（OSR = 1024×，增益设置）。动态范围测量结果较大，意味着整体系统噪声较低。
• 信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）：在器件的反相和同相输入端施加 - 0.5 dBFS 正弦信号，测量这两个参数。SNR 是指均方根信号幅度与所有其他频谱分量（不包括谐波和直流）的和方根（rss）平均值之比；总谐波失真是指基波信号的均方根值与其谐波（一般仅前五次谐波比较重要）的和方根平均值之比。

图 8：SNR

图 9：THD

图 8 和图 9 显示了不同增益设置下的 SNR 和 THD 值。整个信号链实现了 98 dB 的 SNR 和 - 118 dB 的 THD。不过，这些参数在高输入频率和高增益设置下会变差。图 10 展示了一个 FFT 示例，隔离信号链的本底噪声平坦，约为满量程以下 140 dB，杂散信号埋在其下方。这表明，与等效的非隔离信号链相比，隔离信号链实现了一致的信号完整性和噪声性能。

图 10：单次捕获 FFT，全差分输入， - 0.5 dBFS，1 kHz 正弦波

应用和影响

隔离式精密信号链的影响广泛涉及各行各业和各种应用。在物理、化学和生物等领域的科学研究中，对准确度和可重复性的要求极高，隔离式精密信号链有助于实现测量。在工业自动化领域，它能够确保过程控制、质量监测和设备诊断准确无误。在医疗应用方面，它支持监测生理信号并进行准确诊断。此外，其影响还延伸到环境监测、能源管理和电信等领域，因为可靠的数据采集对于这些领域的决策和优化至关重要。

浮动 DAQ 系统

浮动 DAQ 系统非常适合用于电子测试和测量（ETM）应用。在常见的电压测量中，通常会涉及两个基准点：高电位和低电位 / 零电位（接地）。然而，使用接地作为基准进行高压测量存在危险。具有高共模电压的信号可能会损害信号链中的元器件，导致设备和数据损坏，同时高电压也会对使用设备的人员造成危险。此外，接地环路引入的噪声、耦合和干扰也会对接地系统产生影响。

浮动 DAQ 通过单独的基准浮动接地点解决了上述风险。浮动测量能够缩短信号传输到采集点的路径，同时允许采集带有共模电压的信号。从图 11 中可以看到电路板上的不同接地引脚。