【導(dǎo)讀】在兩線制信號(hào)及HART傳輸應(yīng)用中,因接地回路問(wèn)題,不同的地電勢(shì)產(chǎn)生回路電流,從而引入共模干擾,產(chǎn)生4-20mA信號(hào)的傳輸誤差,或造成HART通訊中斷等問(wèn)題,更有甚者將造成設(shè)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(hào)及HART的隔離傳輸應(yīng)用,能有效地解決上述問(wèn)題,提高系統(tǒng)的可靠性。
一、信號(hào)傳輸中的接地回路問(wèn)題及地電勢(shì)差異
導(dǎo)致儀表電路中出現(xiàn)接地回路現(xiàn)象的原因可能有很多。當(dāng)信號(hào)傳輸和接收裝置連接到不同的接地點(diǎn)或不同的電源時(shí),都會(huì)出現(xiàn)對(duì)地回路,這在長(zhǎng)距離電纜傳輸時(shí)很常見(jiàn)。它們也可能是由于設(shè)備的金屬外殼與地面發(fā)生了物理接觸而產(chǎn)生的。接地回路生產(chǎn)了一個(gè)不被人注意的電氣回路,從而出現(xiàn)了一個(gè)誤差源。
由于無(wú)法在信號(hào)的接收端通過(guò)簡(jiǎn)單的觀測(cè)來(lái)測(cè)定信號(hào)的精度,因此不同接地電位產(chǎn)生的對(duì)地環(huán)流將為信號(hào)回路引入無(wú)法檢測(cè)的誤差。
在沒(méi)有做信號(hào)隔離的兩線制信號(hào)傳輸中,存在著這些接地回路導(dǎo)致的信號(hào)誤差問(wèn)題。
在某些情況下,雷電、浪涌等信號(hào)會(huì)隨著長(zhǎng)線加載在信號(hào)線上,損壞端口上的調(diào)制或檢測(cè)器件。
在另外一種情況下,兩個(gè)器件的端口參考的地電勢(shì)不同,可能會(huì)造成端口電壓的超標(biāo),從而損壞器件端口。
二、非隔離的兩線制信號(hào)傳輸方式
圖一:非隔離的兩線制信號(hào)傳輸方式
圖一的電路中,傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再經(jīng)MCU發(fā)送給電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器,形成4-20mA的信號(hào)輸出,電流環(huán)DAC從PLC輸出的4-20mA總線上取電,經(jīng)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器輸出3.3V及2.5V,給MCU及HART調(diào)制器提供少量的電源。
圖一的這種傳輸方式,兩線制儀表與遠(yuǎn)端的PLC的接地電勢(shì)存在電勢(shì)差,從而引入共模干擾,這種干擾會(huì)引起4-20mA信號(hào)的傳輸誤差,也會(huì)影響HART總線的正常通訊;如果共模干擾過(guò)大(超過(guò)了內(nèi)部器件的共模電壓允許范圍),甚至造成兩線制儀表內(nèi)部的器件損壞。
三、隔離兩線制信號(hào)傳輸方式
圖二:隔離兩線制信號(hào)傳輸方式
基于上述因地電勢(shì)不同而存在的隱患,可以用數(shù)字隔離的方式將MCU與電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器進(jìn)行隔離,電流環(huán)DAC及HART調(diào)制器屬浮地形式,使得兩線制儀表與PLC系統(tǒng)兩個(gè)地電勢(shì)之間形成高阻抗,降低地線之間的回路電流,形成兩個(gè)設(shè)備間的電氣隔離,從而降低了4-20mA信號(hào)的傳輸誤差,同時(shí)消除了共模干擾的隱患。
因?yàn)閮删€制儀表沒(méi)有額外的供電端口,其供電都是通過(guò)4-20mA環(huán)路取電,采用這種隔離方式后,HART調(diào)制器的2.5V電源仍然從電流環(huán)DAC上內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器獲得,而MCU系統(tǒng)的3.3V供電就成了一個(gè)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(gè)
穩(wěn)壓二極管,再用廣州金升陽(yáng)科技有限公司的HK模塊,隔離輸出3.3V,給MCU系統(tǒng)供電。
這樣,利用金升陽(yáng)的HK模塊及數(shù)字隔離電路,即可實(shí)現(xiàn)兩線制儀表與PLC系統(tǒng)的電氣隔離,避免了因地電勢(shì)影響造成的系統(tǒng)測(cè)量誤差及設(shè)備損毀,進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。
可選擇的金升陽(yáng)HK模塊型號(hào)如下表:
在電路設(shè)計(jì)中,要充分考慮MCU系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。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(wěn)壓值越高,HK能夠提供的輸出功率越大。為最大限度地延長(zhǎng)兩線制信號(hào)的傳輸距離,在滿足MCU所需功耗的前提下,盡量選擇穩(wěn)壓值低一些的穩(wěn)壓二極管,作為HK模塊的輸入電壓。對(duì)于列表中沒(méi)有的輸入電壓,可以向廣州金升陽(yáng)科技有限公司訂制。
四、總結(jié)
采用廣州金升陽(yáng)科技有限公司的HK模塊,可以實(shí)現(xiàn)兩線制信號(hào)的隔離傳輸,消除地電勢(shì)差異對(duì)系統(tǒng)測(cè)試造成的誤差及共模信號(hào)對(duì)端口器件可能造成的影響,為工控現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)傳輸方式提供了一種新的更好的選擇。
當(dāng)然,對(duì)于非隔離應(yīng)用的場(chǎng)合,如MCU需要稍高的工作頻率,而電流環(huán)DAC芯片無(wú)法提供足夠能量時(shí),也可以考慮采用類(lèi)似圖二的取電電路來(lái)提供額外的能量,本文不再贅述。
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