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在兩線制信號及HART傳輸應用中，因接地回路問題，不同的地電勢產生回路電流，從而引入共模干擾，產生4-20mA信號的傳輸誤差，或造成HART通信中斷等問題，更有甚者將造成設備端口器件損壞。使用有效的電氣隔離方法，形成兩線制信號及HART的隔離傳輸應用，能有效地解決上述問題，提高系統的可靠性。 一、信號傳輸中的接地回路問題及地電勢差異 導致儀表電路中出現接地回路現象的原因可能有很多。當信號傳輸和接收裝置連接到不同的接地點或不同的電源時，都會出現對地回路，這在長距離電纜傳輸時很常見。它們也可能是由于設備的金屬外殼與地面發生了物理接觸而產生的。接地回路生產了一個不被人注意的電氣回路，從而出現了一個誤差源。 由于無法在信號的接收端通過簡單的觀測來測定信號的精度，因此不同接地電位產生的對地環流將為信號回路引入無法檢測的誤差。 在沒有做信號隔離的兩線制信號傳輸中，存在著這些接地回路導致的信號誤差問題。 在某些情況下，雷電、浪涌等信號會隨著長線加載在信號線上，損壞端口上的調制或檢測器件。 在另外一種情況下，兩個器件的端口參考的地電勢不同，可能會造成端口電壓的超標，從而損壞器件端口。 二、非隔離的兩線制信號傳輸方式 圖一的電路中，傳感器的信號經過ADC轉換成數字信號，再經MCU發送給電流環DAC及HART調制器，形成4-20mA的信號輸出，電流環DAC從PLC輸出的4-20mA總線上取電，經內置的電壓調節器輸出3.3V及2.5V，給MCU及HART調制器提供少量的電源。 圖一 圖一的這種傳輸方式，兩線制儀表與遠端的PLC的接地電勢存在電勢差，從而引入共模干擾，這種干擾會引起4-20mA信號的傳輸誤差，也會影響HART總線的正常通信；如果共模干擾過大（超過了內部器件的共模電壓允許范圍），甚至造成兩線制儀表內部的器件損壞。 三、隔離兩線制信號傳輸方式 基于上述因地電勢不同而存在的隱患，可以用數字隔離的方式將MCU與電流環DAC及HART調制器進行隔離，電流環DAC及HART調制器屬浮地形式，使得兩線制儀表與PLC系統兩個地電勢之間形成高阻抗，降低地線之間的回路電流，形成兩個設備間的電氣隔離，從而降低了4-20mA信號的傳輸誤差，同時消除了共模干擾的隱患。 因為兩線制儀表沒有額外的供電端口，其供電都是通過4-20mA環路取電，采用這種隔離方式后，HART調制器的2.5V電源仍然從電流環DAC上內置的電壓調節器獲得，而MCU系統的3.3V供電就成了一個難題。一種較好的解決方案是，在4-20mA電路中如圖二所示串接一個穩壓二極管，再用廣州金升陽科技有限公司的HK模塊，隔離輸出3.3V，給MCU系統供電。 圖二 這樣，利用金升陽的HK模塊及數字隔離電路，即可實現兩線制儀表與PLC系統的電氣隔離，避免了因地電勢影響造成的系統測量誤差及設備損毀，進一步提升了系統的可靠性。 可選擇的金升陽HK模塊型號如下表： 在電路設計中，要充分考慮MCU系統的低功耗設計。盡量選用低功耗MCU，在滿足采樣速率的前提下，盡量降低MCU的工作頻率，這樣可以大大降低MCU的功耗，一般情況下，兩線制儀表中的MCU只需3.3V 1mA功率即可。 一般情況下，HK模塊輸入端并接的二極管穩壓值越高，HK能夠提供的輸出功率越大。為最大限度地延長兩線制信號的傳輸距離，在滿足MCU所需功耗的前提下，盡量選擇穩壓值低一些的穩壓二極管，作為HK模塊的輸入電壓。對于列表中沒有的輸入電壓，可以向廣州金升陽科技有限公司訂制。 四、總結 采用廣州金升陽科技有限公司的HK模塊，可以實現兩線制信號的隔離傳輸，消除地電勢差異對系統測試造成的誤差及共模信號對端口器件可能造成的影響，為工控現場的信號傳輸方式提供了一種新的更好的選擇。 當然，對于非隔離應用的場合，如MCU需要稍高的工作頻率，而電流環DAC芯片無法提供足夠能量時，也可以考慮采用類似圖二的取電電路來提供額外的能量，本文不再贅述。 廣州金升陽科技有限公司的HK在線取電模塊，在2012年的專利電路基礎上作了進一步創新，提高了HK模塊的電源轉換效率，相信可以滿足兩線制儀表的更高的電源需求。 |
