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          成功的設計從信號傳輸設計秘笈開始

          作者: 時間:2017-10-25 來源:網絡 收藏

            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通訊中斷等問題,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(tǒng)的可靠性。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/368525.htm

            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(fā)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(huán)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。

            非隔離的兩線制信號傳輸方式

            圖1

            圖1的電路中,傳感器的信號經過ADC轉換成數字信號,再經MCU發(fā)送給電流環(huán)DAC及HART調制器,形成4-20mA的信號輸出,電流環(huán)DAC從PLC輸出的 4-20mA總線上取電,經內置的電壓調節(jié)器輸出3.3V及2.5V,給MCU及HART調制器提供少量的電源。

            圖1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總線的正常通訊;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。

            隔離兩線制信號傳輸方式

            圖2

            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(huán)DAC及HART調制器進行隔離,電流環(huán)DAC及HART調制器屬浮地形式,使得兩線制儀表與PLC系統(tǒng)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(huán)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(huán)DAC上內置的電壓調節(jié)器獲得,而MCU系統(tǒng)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2所示串接一個穩(wěn)壓二極管,再用廣州科技有限公司的,隔離輸出3.3V,給MCU系統(tǒng)供電。

            這樣,利用及數字隔離電路,即可實現兩線制儀表與PLC系統(tǒng)的電氣隔離,避免了因地電勢影響造成的系統(tǒng)測量誤差及設備損毀,進一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

            可選擇的型號如下表:

            在電路設計中,要充分考慮MCU系統(tǒng)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(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(wěn)壓值低一些的穩(wěn)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。

            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(tǒng)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(huán)DAC芯片無法提供足夠能量時,也可以考慮采用類似圖2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(chuàng)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。

          ——本文選自電子發(fā)燒友網5月《綠色照明技術特刊》透視新設計欄目,轉載請注明出處!



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