Технология PCB - Высокоскоростное руководство по проектированию ПХД три: технология изоляции сигнала

Изоляция сигнала предотвращает прохождение цифровых или аналоговых сигналов через барьер между отправляющими и принимающими терминалами, когда они отправляются через гальваническое соединение. Это позволяет разнице между уровнем земли или исходным уровнем за пределами передающего и приемного терминалов быть настолько высокой, как несколько тысяч вольт, и предотвращает петельные токи между различными потенциалами земли, которые могут повредить сигнал. Шум на почве сигнала может повредить сигнал. Изоляция может разделить сигнал на чистую подсистему сигнала. В другом приложении электрическое соединение между эталонными уровнями может создать путь тока, который небезопасен для оператора или пациента. Характер сигнала может указать конструктору схемы те правильные интегральные блоки, которые система может рассмотреть.

Первый тип изолирующих устройств не зависит от передатчиков и приемников для прохождения через разделительный барьер. Это устройство используется для цифровых сигналов, но проблема линейности заставляет использовать трансформатор для изоляции аналогового сигнала и использовать модулированную несущую для прохождения аналогового сигнала через этот барьер. Трансформаторы всегда трудно сказать, и обычно невозможно создать IC, поэтому я придумал конденсаторную схему для связи модулированных сигналов через барьер. Переходное напряжение высокой скорости преобразования, действующее на изолирующий барьер, может использоваться в качестве сигнала для одноконденсаторного устройства с барьером, поэтому для минимизации ошибок была разработана двухконденсаторная дифференциальная схема. В настоящее время технология конденсаторного барьера используется в цифровых и аналоговых изоляционных устройствах.

1.Изолировать серийный поток данных

Существует широкий спектр вариантов изоляции цифровых сигналов. Если поток данных является битно-серийным, варианты варьируются от простых оптокоплекторов до изолированных IC-передатчиков и приемников. Основные соображения по проектированию включают:

• Требуемая скорость передачи данных

• Требования к мощности для изолированного конца системы

Должен ли канал данных быть двусторонним?

Световая связь на основе светодиодов является первой технологией, используемой для изоляции проблем проектирования. В настоящее время существует несколько IC на основе светодиодов со скоростью передачи данных 10 Мбит / с и выше. Важным конструктивным соображением является то, что светодиодные выходы со временем уменьшаются. Поэтому на ранних стадиях светодиоды должны быть снабжены слишком большим током, чтобы они могли по - прежнему обеспечивать достаточную выходную интенсивность света с течением времени. Поскольку имеющаяся мощность на стороне изоляции может быть ограничена, необходимость обеспечения чрезмерного тока является серьезной проблемой. Поскольку ток привода, необходимый для светодиода, может быть больше, чем доступный ток на простом логическом выходном уровне, обычно требуется специальная схема привода.

Для высокоскоростных приложений и обратной передачи потоков данных под управлением логическим сигналом может быть использовано цифровое соединение ISO 150 Burr-Brown. На рисунке 1 показана двусторонняя схема применения ISO150. Канал 1 управляет направлением передачи канала 2 и сконфигурирован для передачи от конца А к концу В. Сигнал, применяемый к штрифту DIA, определяет направление потока сигнала. Высокий уровень, отправленный в конец B, ставит конец канала 2 в режим приема. Низкий уровень, применяемый к штрифту Mode в конце 2A канала, ставит канал в режим отправки. Состояние сигнала направления находится с обеих сторон изоляционного барьера. Эта схема может работать со скоростью передачи данных 80 МГц.

Второй вариант битно-серийной связи — это разрабатываемое устройство системы дифференциальной шины. Эти системы описаны стандартами RS-422, RS-485 и CANbus. Некоторым системам повезло иметь общую основу, а многие системы имеют узлы с разными потенциалами. Это особенно верно, когда два узла разделены определенным расстоянием. ISO 422 Burr-Brown предназначен для интегрированных полнодуплексных изолированных приемно-передатчиков, которые могут использоваться в этих приложениях. Этот приемно-передатчик может быть конфигурирован как полудуплексный и полный дуплексный (см. рисунок 2). Скорость передачи может достигать 2,5 Мбит/с. Это устройство даже включает в себя функцию тестирования цикла (Loop-back), поэтому каждый узел может выполнять функцию самотестирования. В этом режиме данные на автобусе игнорируются.

2.Аналоговая изоляция сигнала

Во многих системах аналоговые сигналы должны быть изолированы. Параметры схемы, рассматриваемые аналоговыми сигналами, совершенно отличаются от цифровых сигналов. В первую очередь необходимо рассмотреть аналоговый сигнал:

• Точность или линейность

• Частотная реакция

Шумовые соображения

Потребности в мощности, особенно для входной стадии, также должны обратить внимание на основную точность или линейность усилителя изоляции не могут быть улучшены соответствующими схемами применения, но эти схемы могут уменьшить шум и уменьшить потребности в мощности входной стадии.

ISO124 Burr-Brown упрощает аналоговую изоляцию. Входный сигнал модулируется рабочим циклом и отправляется в цифровом виде через барьер. Выходная часть получает модулированный сигнал, преобразует его обратно в аналоговое напряжение и удаляет присущий компонент волны в процессе модуляции / демодуляции. В связи с модуляцией и демодуляцией входного сигнала следует соблюдать некоторые ограничения системы отбора данных. Модулятор работает на фундаментальной частоте 500 кГц, поэтому входные сигналы, превышающие частоту Ngquist 250 кГц, представляют компоненты более низкой частоты в выходе.

Хотя выходная стадия удаляет большую часть частоты носителя в выходном сигнале, все еще есть определенное количество сигнала носителя. На рисунке 4 показан комбинированный метод фильтрации для уменьшения высокочастотного шумного загрязнения в остальной части системы. Фильтр питания может значительно уменьшить шум, входящий из штифта питания. Выходный фильтр представляет собой двухполюсную стадию Саллена-ключа с Q I и частотой 3 дБ 50 кГц. Это уменьшает выходную волну в 5 раз.

Другой проблемой с изоляционным напряжением является мощность, необходимая входной стадии. Выходная стадия обычно основана на шасси или земле, а вход обычно плавает на другом потенциале. Поэтому источник питания входной стадии также должен быть изолирован. Как правило, вместо идеальных источников питания +15 В и -15 В используется один источник питания.

На рисунке 5 показано, что однонапряженное источник питания на входной стадии ISO124 в сочетании с двойным дифференциальным усилителем 1NA2132 может увеличить качение до полного диапазона уровня входного сигнала. Единственным требованием является то, что входное напряжение питания остается выше 9 В, что требуется для входного напряжения ISO124.

Нижняя часть INA2132 производит половину выходного напряжения VS +. Это напряжение используется в качестве псевдозаземления для другой половины REF - выводов INA2132 и входного GND ISO 124. Колебания дифференциального входного сигнала INA2132 могут быть выше или ниже нового эталонного уровня. Выход ISO 124, как и вход, будет полностью биполярным.

3. Изолированная параллельная система шины данных

Изоляция параллельных цифровых шин данных увеличит еще три важных параметра конструкции:

• Ширина бита автобуса

• Допустимое отклонение

• Требования к скорости часов

Эта задача может быть выполнена рядом оптокоплекторов, но поддерживающие схемы могут быть очень сложными. Несовпадение времени распространения между оптокоплерами вызовет смещение данных, что вызовет ошибки данных на приемном конце. Чтобы свести к минимуму эту проблему, изолированный цифровой соединитель ISO508 (рис. 3) поддерживает двойное буферирование данных на входе и выходе. Эта конфигурация будет передавать данные со скоростью 2 Мбит/с.

ISO508 имеет два режима работы. Когда штрих CONT установлен на низкое состояние, под управлением сигнала LE1, данные передаются через барьер в синхронном режиме. Когда LE1 находится в высоком состоянии, данные передаются из входного штифта в входную замку. Когда LE1 снижается, байты данных начинают перемещаться через барьер. В это время входный штифт может использоваться для байтов данных следующего поколения. В этом режиме скорость передачи данных может достигать 2 Мбит/с.

Когда вывод CONT настроен на высокое состояние, данные передаются через барьер под управлением часов 20 МГц внутри устройства. Передача данных с внешним замком включена асинхронно. Данные отображаются последовательно из хранилища входных замков в хранилище выходных замков. После передачи одного байта весь байт перемещается в хранилище выходных замков, которое смещает передаваемые байты данных. Для полного 8 - битного байта задержка распространения будет меньше 1 мс.

4. Многофункциональный IC для изоляции

Новый многофункциональный интегральный блок сбора данных дает конструкторам возможность выполнять несколько задач, пересекая экран изоляции. Полное устройство сбора данных может включать в себя несколько аналоговых выключателей, программируемые усилители приборов увеличения, A / D преобразователи и один или несколько цифровых каналов ввода / вывода. Все эти функции управляются через серийный порт данных. Таким устройством является ADS7870 Burr-Brown. ADS7870 очень хорошо работает с ISO 150 и показан на рисунке 6.

В этом приложении каждая программируемая функция ADS7870 помещена под управление основного микропроцессора, а управление самим микропроцессором реализуется путем записи команд в реестр через порт серийной связи.

• Выбор мультиплексера

• 4 дифференциальных канала или 8 одноконечных каналов

Программируемые параметры усиления приборного усилителя, 1½20

• Инициализация 12-битного A/D преобразования

4 цифровых линий ввода/вывода этого устройства также полезны и могут быть индивидуально указаны для сообщения о состоянии цифровых сигналов или выходных цифровых сигналов. Это позволяет изолировать определенные функции поддержки, такие как чтение флага уровня или ошибки через тот же мультиплексер сигнала расширения ISO150.

Заключительные замечания

Есть много устройств, доступных для дизайнеров, чтобы выбрать и использовать в проектировании ПХД, где наземный потенциал системы очень различается. Каждое устройство предназначено для удовлетворения уникальных системных требований. Высокий уровень интеграции производительности новых устройств позволяет выполнять более сложные операции, которые ранее невозможно было достичь через изоляционный барьер.