发表于：2009/1/4 10:12:00
#0楼
电容：模拟信号隔离[/b]方法之一（转自http://hi.baidu.com/iamvpllw）
2007年12月03日 星期一 10:36
一、问题的由来
在电子工程专辑的论坛里，有个网友提问：如何解决
4－20ma信号的隔离
问题。我立刻想到了20多年前解剖的一个美国产品的过程，感觉在这里写个帖子，可能会对大家有启发。
这里要声明的是本文所论述的内容应该算是转述，有关“飞
电容
”概念的提出应该是接近或者超过30年。1983年我读硕士生2年级的时候，见到了一家美国公司的一块数据采集板，当时测绘了其原理图，由于搞不到整机的软件，并没有真正理解这个电路的工作原理。为了选择硕士论文的题目，当时我主要是泡在图书馆里看ieee的文章。一个偶然的机会读到了一篇讲述
flying capacitor
文章的题目，老师给的方向是scada，电容能不能飞上天应该不属于这个方向，具体内容没有看就翻过去了。中午去餐厅的路上，又在琢磨测绘的板子的原理。板子中心位置显著的有8个米黄色的无感电容，应该是一个关键吧？想到电容，思绪转向了flying capacitor，电容怎么会飞？下午一定好好看看。
几年以后，在为一个1950年代建设的老电厂进行计算机监控的项目中，运用过
飞电容
原理，效果还算不错。
二、什么叫“
飞电容
”
图1是一个
飞电容
的示意图。k1是一个双刀双掷继电器。当开关切换到vi侧时vi给电容c1充电或放电，经过一个短暂的过渡过程以后，电容两端的电压应该跟vi相同。当开关切换到vo侧时，如果负载阻抗达到无穷大，由于电容c1的蓄能功能，vo应该与切换前的vi相等。从而完成了vi的隔离转换功能。
![图]()
三、应用领域分析
飞电容
隔离方式适合采用速率不是很高的直流信号的隔离。对于多路电流方式（如4－20ma）输出的信号，一般的隔离措施很难解决共地的问题，飞电容方式就非常简单，而且直接消除了共模干扰信号。而对于多路同一信号源被多个系统采样的应用方式，飞电容同样是解决这一问题的利器。
对于难以共地多个信号源进行隔离，模拟开关是不能采用的。而对于一般的模拟隔离方式，由于信号本身没有共地点，必须配置多个隔离电源，系统复杂且昂贵。对于电流输出的信号源来说，多数
模拟信号
隔离方式还要克服共模信号的抑制问题。
四、优点和缺点
飞电容
方式没有隔离电源，有效消除共模干扰，电路简单，容易实现较高的可靠性。在对慢速变化的直流信号进行隔离时，特别是对那些多个系统采样同一个信号源的场合，对信号源的精度几乎不产生影响。
飞电容
方式的另外一个优点是不再需要采样保持电路，对于多路信号的同时采样也非常容易实现。
飞电容
方式的采样速率受限于开关的动作频率和信号回路的时间常数。在工程应用中，采样速率一般会在每秒几k以下。这是限制飞电容方式应用领域的主要因素。
五、工程应用应考虑的问题
电容是信号传递的载体，选择时应注意三个环节：材质和工艺、容量，耐压。材质和工艺关注的是电容温度稳定性、漏电流、等效串连电感等因素。容量的精度对信号的精度影响不大，但是容量的数量级对信号回路的时间常数影响很大，对系统的整个时序也会产生间接影响。过小的电容容易引入信号的失真，而过大的容量则使整个系统的速度变慢。电容的耐压一方面要考虑信号本身电压上限，另外一方面，由于信号源一般要通过电缆传输等其他因素，耐压应该有一定的安全余量。我曾经对4－20ma信号串连一个250欧姆的电阻，选用了耐压50v容量4700p的无感涤纶电容。
开关是
飞电容
的核心，应该说机械继电器是不能采用的，主要是寿命因素。工程实践中可以采用湿簧继电器和photomos。湿簧继电器采用水银作为触点，寿命很高，且触点电阻相对较低，但是开关速率相对不高，我测绘的那个美国产品就是采用湿簧继电器。photomos属于光隔离固体继电器一类的器件，体积小，开关速度相对高一些，缺点是导通电阻较大且离散。
飞电容
的信号输出是不能直接进入普通的a/d进行转换的，一般要经过一个高输入阻抗的放大器进行信号调理，特别是对于采用photomos开关的情形，放大器的输入阻抗至少要在数兆欧姆以上。
六、一个工程实例
前文提到对曾经对一个老发电厂搞过一个数据采集装置，这个项目的背景情况是这样，电厂有几十个温度和压力仪表，输出采用4－20ma方式。大部分仪表都接入闭环回路进行控制。电厂希望搞一个计算机数据采集系统，在管理网络上可以监视这些温度与压力信号。要求新系统不能影响原有装置的正常运行，且不能增加新的传感器，所以
飞电容
方式被采用作为信号隔离。
开关采用松下的photomos: aqw214，内部原理参见图2，数据表可以从我的个人网站下载，url地址为：http://www.psoc.cn/filewarehouse/panasonic/aqw21_.pdf。
该部分的电路如下：
![图]()
![图]()
ctl1和ctl2来自微处理器的输出经三极管放大后，可以在aqw214的发光管上产生25ma的电流。由软件来切换电容的充电和采样两个环节。
t1和t2两个端子连接4-20ma输入，经250欧姆电阻转换成1－5v信号。多个通道的vout信号直接并联，经电压跟随器缓冲后接入a/d。这个设计是一个特例，因为最小信号幅度已经达到1v，而aqw214关断时，最大漏电流为1ua，小信号时误差会比较大，而对于本系统影响很小。建议高精度隔离电路采用湿簧继电器。
输入转换电阻为1%的精度，但是，软件对每个通道的都有一个单独的补偿系数，最终系统的全量程精度达到了0.2%。
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此篇文章从博客转发
原文地址： Http://blog.gkong.com/more.asp?id=73639&Name=mahuaqiang
2007年12月03日 星期一 10:36
一、问题的由来
在电子工程专辑的论坛里，有个网友提问：如何解决
4－20ma信号的隔离
问题。我立刻想到了20多年前解剖的一个美国产品的过程，感觉在这里写个帖子，可能会对大家有启发。
这里要声明的是本文所论述的内容应该算是转述，有关“飞
电容
”概念的提出应该是接近或者超过30年。1983年我读硕士生2年级的时候，见到了一家美国公司的一块数据采集板，当时测绘了其原理图，由于搞不到整机的软件，并没有真正理解这个电路的工作原理。为了选择硕士论文的题目，当时我主要是泡在图书馆里看ieee的文章。一个偶然的机会读到了一篇讲述
flying capacitor
文章的题目，老师给的方向是scada，电容能不能飞上天应该不属于这个方向，具体内容没有看就翻过去了。中午去餐厅的路上，又在琢磨测绘的板子的原理。板子中心位置显著的有8个米黄色的无感电容，应该是一个关键吧？想到电容，思绪转向了flying capacitor，电容怎么会飞？下午一定好好看看。
几年以后，在为一个1950年代建设的老电厂进行计算机监控的项目中，运用过
飞电容
原理，效果还算不错。
二、什么叫“
飞电容
”
图1是一个
飞电容
的示意图。k1是一个双刀双掷继电器。当开关切换到vi侧时vi给电容c1充电或放电，经过一个短暂的过渡过程以后，电容两端的电压应该跟vi相同。当开关切换到vo侧时，如果负载阻抗达到无穷大，由于电容c1的蓄能功能，vo应该与切换前的vi相等。从而完成了vi的隔离转换功能。
三、应用领域分析
飞电容
隔离方式适合采用速率不是很高的直流信号的隔离。对于多路电流方式（如4－20ma）输出的信号，一般的隔离措施很难解决共地的问题，飞电容方式就非常简单，而且直接消除了共模干扰信号。而对于多路同一信号源被多个系统采样的应用方式，飞电容同样是解决这一问题的利器。
对于难以共地多个信号源进行隔离，模拟开关是不能采用的。而对于一般的模拟隔离方式，由于信号本身没有共地点，必须配置多个隔离电源，系统复杂且昂贵。对于电流输出的信号源来说，多数
模拟信号
隔离方式还要克服共模信号的抑制问题。
四、优点和缺点
飞电容
方式没有隔离电源，有效消除共模干扰，电路简单，容易实现较高的可靠性。在对慢速变化的直流信号进行隔离时，特别是对那些多个系统采样同一个信号源的场合，对信号源的精度几乎不产生影响。
飞电容
方式的另外一个优点是不再需要采样保持电路，对于多路信号的同时采样也非常容易实现。
飞电容
方式的采样速率受限于开关的动作频率和信号回路的时间常数。在工程应用中，采样速率一般会在每秒几k以下。这是限制飞电容方式应用领域的主要因素。
五、工程应用应考虑的问题
电容是信号传递的载体，选择时应注意三个环节：材质和工艺、容量，耐压。材质和工艺关注的是电容温度稳定性、漏电流、等效串连电感等因素。容量的精度对信号的精度影响不大，但是容量的数量级对信号回路的时间常数影响很大，对系统的整个时序也会产生间接影响。过小的电容容易引入信号的失真，而过大的容量则使整个系统的速度变慢。电容的耐压一方面要考虑信号本身电压上限，另外一方面，由于信号源一般要通过电缆传输等其他因素，耐压应该有一定的安全余量。我曾经对4－20ma信号串连一个250欧姆的电阻，选用了耐压50v容量4700p的无感涤纶电容。
开关是
飞电容
的核心，应该说机械继电器是不能采用的，主要是寿命因素。工程实践中可以采用湿簧继电器和photomos。湿簧继电器采用水银作为触点，寿命很高，且触点电阻相对较低，但是开关速率相对不高，我测绘的那个美国产品就是采用湿簧继电器。photomos属于光隔离固体继电器一类的器件，体积小，开关速度相对高一些，缺点是导通电阻较大且离散。
飞电容
的信号输出是不能直接进入普通的a/d进行转换的，一般要经过一个高输入阻抗的放大器进行信号调理，特别是对于采用photomos开关的情形，放大器的输入阻抗至少要在数兆欧姆以上。
六、一个工程实例
前文提到对曾经对一个老发电厂搞过一个数据采集装置，这个项目的背景情况是这样，电厂有几十个温度和压力仪表，输出采用4－20ma方式。大部分仪表都接入闭环回路进行控制。电厂希望搞一个计算机数据采集系统，在管理网络上可以监视这些温度与压力信号。要求新系统不能影响原有装置的正常运行，且不能增加新的传感器，所以
飞电容
方式被采用作为信号隔离。
开关采用松下的photomos: aqw214，内部原理参见图2，数据表可以从我的个人网站下载，url地址为：http://www.psoc.cn/filewarehouse/panasonic/aqw21_.pdf。
该部分的电路如下：
ctl1和ctl2来自微处理器的输出经三极管放大后，可以在aqw214的发光管上产生25ma的电流。由软件来切换电容的充电和采样两个环节。
t1和t2两个端子连接4-20ma输入，经250欧姆电阻转换成1－5v信号。多个通道的vout信号直接并联，经电压跟随器缓冲后接入a/d。这个设计是一个特例，因为最小信号幅度已经达到1v，而aqw214关断时，最大漏电流为1ua，小信号时误差会比较大，而对于本系统影响很小。建议高精度隔离电路采用湿簧继电器。
输入转换电阻为1%的精度，但是，软件对每个通道的都有一个单独的补偿系数，最终系统的全量程精度达到了0.2%。
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