可消除USB数据采集模块潜在危险的方法

我们来更仔细分析这些应用环境，从每个案例中了解隔离的作用。

案例1： ESD、闪电或电源浪涌

图1展示了一个典型的应用场景，其中一个传感器正在测量待测设备的电压。该传感器一头连接到USB数据采集模块，另一头连接到PC。

ESD、闪电以及电源浪涌产生突发的瞬时过压，即使时间很短，也可能损害整个系统中的电子元件。如果USB数据采集模块没有隔离(见图2)，这些事件产生的电流回流通过整个系统，最后到达PC并且可能损害PC和其他系统部件。

一些数据采集方案供应商所提供的未隔离模块在出现瞬时过压时事实上会锁死整个系统，从而不得不重启系统。在测量应用中这种行为是不能接受的。

与之对比的是，隔离的模块(图3中显示)通过模块的地平面释放有害的电流，来保护整个系统。

即使引入的瞬时电压很小不足以损害系统，也要小心你的数据可能包含很大的错误，特别在高分辨率的情况下。例如，如果使用具有16位分辨率的USB模块来测量±10V 电压范围的信号，LSB值是0.31mV(见表1)。如果这个模块未隔离，同时电气系统中出现瞬时电压，数据因此可能偏差数百毫伏。甚至在静态环境中，你的数据也可能偏差几十毫伏。当测量低电平的信号时这算得上是巨大的差错。

如果需要高精度、低噪声的测量，隔离至关重要。Data Translation公司所有的USB模块，从DT9801系列到DT9834系列，都提供高达500V的电气隔离。电气隔离把输入信号中的能量转化成输出信号在模块的地平面上流走。结果，你的计算机保持安全，测量结果更加精确。

以DT9801模块为例，通过使用下列的元件提供高达500V的电气隔离：

1.变压器：从无延迟的快速时钟信号中转换能量；

2.光隔离器：从带有几十毫秒延迟的较慢的控制信号中转化能量；

3.差分容性耦合：从带有1毫秒延迟的慢速数据通道中转化能量。

案例2 ：不同的地电位

单端模拟输入是参考大地的未隔离的输入。在未隔离系统中，甚至数字I/O信号都连到同样的地上。如果待测系统和USB数据采集模块共享同样的地(通过连到建筑物的电源系统)，两个设备地电位间的差别是实际存在的(超过100mV)。快速开关电流必须沿着5米长的USB线缆流到PC。

根据如何将单端输入连接到该模块，你可能引入地环路误差，即当在最长达5米的USB线缆中添加信号和其他地电位时，不仅仅带来了高度不准确的测量结果，而且还可能会损害待测系统。图5显示了不恰当的单端输入连接实例。

图6是更好的单端输入的连接方案，能减少地环路误差。

为了最精确的测量结果，可使用差分输入(显示在图7中)。差分输入是带隔离的输入，因为它们参考的地参考点不连接到大地上。结果，它们消除了共模电压误差，这种误差会在地电位差出现时发生。

因此，如果你正在测量低电平的信号，这种情况下噪声是测量中非常重要的环节。或者如果共模电压存在，则要确保USB数据采集模块提供差分输入连接。Data Translation所有的USB模块，从DT9801系列到DT9834系列，提供了上至8或16个差分输入连接以提供最大程度的地环路保护。

案例3：良好的情况下

在良好的环境中，瞬时电气信号毛刺和地电位差不存在，因此不需要隔离。在未隔离的系统中，PC直接与传感器的地系统相连，所以只要没有噪声或其它误差加到电压源上，测量就会是准确的。

尽管未隔离的解决方案购买时可能会更便宜，但测试与测量应用很少是处于良好情况。所以要小心，如果你选择了未隔离的解决方案，可能会导致可估算的后端成本，这是由于数据不够准确或系统出现故障引起的额外开支。