摘要：工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中，多通道模擬采集是現(xiàn)場(chǎng)物理量監(jiān)測(cè)的常用方法。在進(jìn)行多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集數(shù)據(jù)時(shí)，由于多路采集信號(hào)存在不同的地電勢(shì)造成各信號(hào)通道之間的相互干擾。為了消除干擾，工業(yè)應(yīng)用中的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)加入電氣隔離。   本文列出了多通道模擬采集的幾種隔離方案，分析了各種隔離方案的可靠性及適用環(huán)境。

關(guān)鍵字：多通道采集、信號(hào)隔離、隔離放大器、隔離變送器

一、引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度、壓力、應(yīng)力及流量等多種現(xiàn)場(chǎng)物理量，綜合成本和適用性考慮，DCS的I/O板卡以及信號(hào)傳輸?shù)壬婕暗叫盘?hào)采集的部分都采用多通道的模擬采集的技術(shù)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境常會(huì)涉及危險(xiǎn)級(jí)電壓、瞬態(tài)信號(hào)、共模電壓及不穩(wěn)定地電位，可能會(huì)損壞測(cè)量系統(tǒng)，降低測(cè)量精度。為了克服以上缺陷，工業(yè)應(yīng)用中的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)加入電氣隔離。

二、不隔離、組隔離、點(diǎn)隔離的模擬多通道采集方案

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的多通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合現(xiàn)場(chǎng)的電氣環(huán)境與實(shí)際設(shè)計(jì)成本的考慮，一般分為三種隔離方案：不隔離、組隔離、點(diǎn)隔離。

1、不隔離

不隔離的多通道模擬采集方案如圖1，這種采集方案的缺點(diǎn)在于，從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)來的各路模擬量信號(hào)都存在不同的地電勢(shì)，模擬多路器無法完全消除這些共模電壓差異，會(huì)造成各信號(hào)通道之間的串?dāng)_；如果共模電壓過大，甚至?xí)龤д麄€(gè)系統(tǒng)。所以一般采用不隔離方案的模擬多通道采集設(shè)計(jì)，都需要在信號(hào)輸入前端用多個(gè)隔離柵設(shè)備進(jìn)行電氣隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾度，增加系統(tǒng)可靠性。

圖1

2、組隔離

組隔離的多通道模擬采集方案就是將多路輸入信號(hào)分組進(jìn)行隔離，以減小共模干擾產(chǎn)生的幾率。組隔離的方案，仍然不能完全消除未分組的信號(hào)通道之間的共模電壓差異而引起的串?dāng)_問題。如果多路輸入的信號(hào)來源于同一個(gè)設(shè)備或電氣環(huán)境，選用組隔離的方案可以節(jié)省成本，相應(yīng)的共模干擾問題也小很多。

一般組隔離有兩種方式，一種是數(shù)字隔離方案，如圖2（組隔離方案的其中一組AI1~AI4）。這種采集方案，利用數(shù)字隔離器件和DCDC隔離電源將采集板后端的MCU系統(tǒng)與前端的信號(hào)調(diào)理電路和ADC電路隔離開來，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MCU系統(tǒng)的保護(hù)，但是各通道信號(hào)輸入端的共模干擾會(huì)造成采樣精度下降，而且一般ADC器件的共模輸入范圍較小，這種方案會(huì)存在因共模電壓過高造成ADC器件的損壞，進(jìn)而使得整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2

另一種是模擬隔離方案，如圖3（組隔離方案的其中一組AI1~AI4）。這種組隔離方案較數(shù)字隔離方案的不同在于采用了隔離放大器；利用隔離放大器、DCDC隔離電源、數(shù)字隔離器將MCU系統(tǒng)和ADC采集子系統(tǒng)與前端的輸入信號(hào)進(jìn)行了有效隔離，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)MCU系統(tǒng)和ADC采集子系統(tǒng)的保護(hù)，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)利用隔離放大器的信號(hào)調(diào)理功能代替了原來的信號(hào)調(diào)理電路（AMP），簡化電路設(shè)計(jì)。這個(gè)方案相對(duì)數(shù)字隔離方案增加了隔離放大器的成本，但省掉了信號(hào)調(diào)理電路，而且目前很多MCU都集成了ADC電路，如果利用MCU內(nèi)部的ADC電路，還可以節(jié)省ADC器件的成本，整體來說，成本增加不明顯，但可靠性更高。

圖3

廣州金升陽科技有限公司推出的隔離變送器模塊產(chǎn)品不僅包含隔離放大器的功能，同時(shí)還能提供一組隔離的DCDC電源，采用這種隔離變送器模塊產(chǎn)品不僅可以簡化信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以簡化電源設(shè)計(jì)。如圖4，利用隔離變送器模塊實(shí)現(xiàn)的組隔離的模擬隔離方案。

圖4

 3、點(diǎn)隔離

點(diǎn)隔離的多通道模擬采集方案就是將多路輸入信號(hào)的每個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)的隔離，消除共模干擾影響，消除通道間的串?dāng)_問題，避免了系統(tǒng)因共模電壓及不穩(wěn)定地電位造成損壞的問題。其方案圖如圖5，采用多個(gè)隔離放大器實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道的相互電氣隔離，同時(shí)完成每個(gè)通道的信號(hào)調(diào)理，通過模擬多路器傳送到ADC。這種隔離方案，在信號(hào)輸入的最前端進(jìn)行電氣隔離，使得來自于不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的輸入信號(hào)之間相互電氣隔離，避免了共模電壓影響及通道串?dāng)_問題，不僅對(duì)后端的采集系統(tǒng)整體電路形成了完整的保護(hù)，同時(shí)還保護(hù)了各個(gè)通道所聯(lián)接的現(xiàn)場(chǎng)儀表。點(diǎn)隔離方案的多通道模擬采集系統(tǒng)的可靠性最高，成本相對(duì)其它兩種方案也較高，但從整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)來考慮，點(diǎn)隔離方案可以省略采集系統(tǒng)前級(jí)的隔離柵設(shè)備，使得整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的成本大大的降低了。

圖5

三、小結(jié)

上面列出的幾種模擬多通道采集的隔離方案，點(diǎn)隔離方案抗干擾性最好，可靠性最高，適用于輸入信號(hào)來源于不同設(shè)備或電氣環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)電氣環(huán)境比較惡劣的情況；組隔離方案適用于同一組的多路輸入信號(hào)來源于同一個(gè)設(shè)備或電氣環(huán)境，組隔離的模擬隔離方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集系統(tǒng)內(nèi)部ADC子系統(tǒng)的保護(hù)，其可靠性要高于組隔離的數(shù)字隔離方案；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般不采用不隔離的方案，不隔離的采集方案，一般需要在信號(hào)輸入前端用隔離柵設(shè)備做各個(gè)通道的電氣隔離。從整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)來看，采用點(diǎn)隔離方案能夠節(jié)省采集系統(tǒng)前級(jí)的隔離柵設(shè)備，同時(shí)又有較高的抗干擾性和可靠性，從經(jīng)濟(jì)性及適用性來說都值得選用。