隔离式精密信号链：高精度数据采集的突破-Pcim展会

在边缘智能时代，数据采集(DAQ)系统作为物理世界与数字世界的桥梁，其准确度和可靠性至关重要。传统数据采集系统常因接地环路、电磁干扰(EMI)和共模电压变化等问题导致信号质量下降、测量结果失真。隔离式精密信号链凭借电气隔离技术，有效解决了这些问题，成为高精度数据采集系统的关键技术。

一、核心价值与工作原理

(一)为何需要隔离?

在工业自动化、医疗设备和电力监控等场景中，被测信号常伴随高压和高频噪声。隔离式精密信号链通过物理隔离切断干扰路径，保障操作安全，其优势包括：

噪声抑制：消除共模电压和EMI影响，信噪比提升20dB以上。

接地环路消除：避免因接地点电位差导致的测量误差。

安全防护：隔离栅可阻挡高达3kV的瞬态电压，保护后端电路。

(二)系统架构解析

典型的隔离式信号链包含以下核心模块：

精密放大器：如仪表放大器PGIA，提供高共模抑制比(CMRR>120dB)。

隔离栅：采用磁耦或光耦技术，实现信号与电源的双向隔离。

高分辨率ADC：24位Σ-Δ型ADC确保微小信号的量化精度。

滤波电路：抗混叠滤波结合数字后处理，进一步抑制带外噪声。

二、关键设计挑战与解决方案

(一)噪声抑制技术

1/f噪声优化：采用斩波稳零放大器，将低频噪声降至0.1μVpp以下。

布局设计：星型接地与隔离分区布线可降低辐射干扰30%。

电源隔离：DC-DC变压器配合LDO稳压，电源抑制比(PSRR)达80dB。

(二)延迟与带宽平衡

隔离会引入信号传输延迟(典型值<100ns)，优化方式包括：

选择高速数字隔离器：CMTI>50kV/μs。

并行数据通道设计：提升吞吐量。

(三)集成化趋势

现代方案如ADSKPMB10-EV-FMCZ，已将PGIA、隔离电源和ADC集成于单板，尺寸缩小60%，同时保持-40℃~125℃的工作范围。

三、典型应用场景与实测案例

(一)工业传感系统

某电机振动监测项目中，采用隔离信号链后：

信号基线波动：从±5mV降至±0.2mV。

温度漂移误差：<0.01%/℃。

(二)医疗电子

心电图机前端设计中：

50Hz工频干扰抑制比：提升至90dB。

患者漏电流：<10μA(远超IEC 60601标准)。

(三)新能源监测

光伏逆变器电流采样系统：

共模电压1000V时：仍保持0.1%精度。

雷击测试：通过4kV浪涌标准。

四、技术选型指南

(一)元器件选择建议

根据应用场景和性能需求，选择合适的精密放大器、隔离器件和ADC。

(二)设计验证要点

安全性测试：进行HIPOT测试(3.75kVac/1分钟)。

EMC性能：依据CISPR 32标准验证辐射抗扰度。

五、未来发展趋势

更高集成度：TI和ADI推出内置隔离的SoC方案，减少BOM成本20%。

AI赋能：边缘端噪声学习算法可动态补偿温漂误差。

新材料应用：GaN隔离器件有望将功率密度提升5倍。

来源：Pcim展会