多通道模擬采集的隔離防護

　　一、引言

　　在工業生產過程自動化系統中，工業現場需要監測電壓、電流、溫度、壓力、應力及流量等多種現場物理量，綜合成本和適用性考慮，DCS的I/O板卡以及信號傳輸等涉及到信號采集的部分都采用多通道的模擬采集的技術。工業現場應用環境常會涉及危險級電壓、瞬態信號、共模電壓及不穩定地電位，可能會損壞測量系統，降低測量精度。為了克服以上缺陷，工業應用中的測量系統設計會加入電氣隔離。

　　二、不隔離、組隔離、點隔離的模擬多通道采集方案

　　工業現場的多通道采集系統設計，綜合現場的電氣環境與實際設計成本的考慮，一般分為三種隔離方案：不隔離、組隔離、點隔離。

　　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在于，從工業現場來的各路模擬量信號都存在不同的地電勢，模擬多路器無法完全消除這些共模電壓差異，會造成各信號通道之間的串擾;如果共模電壓過大，甚至會燒毀整個系統。所以一般采用不隔離方案的模擬多通道采集設計，都需要在信號輸入前端用多個隔離柵設備進行電氣隔離，以提高系統抗干擾度，增加系統可靠性。

　　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分組進行隔離，以減小共模干擾產生的幾率。組隔離的方案，仍然不能完全消除未分組的信號通道之間的共模電壓差異而引起的串擾問題。如果多路輸入的信號來源于同一個設備或電氣環境，選用組隔離的方案可以節省成本，相應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，利用數字隔離器件和DCDC隔離電源將采集板后端的MCU系統與前端的信號調理電路和ADC電路隔離開來，實現了對MCU系統的保護，但是各通道信號輸入端的共模干擾會造成采樣精度下降，而且一般ADC器件的共模輸入范圍較小，這種方案會存在因共模電壓過高造成ADC器件的損壞，進而使得整個系統無法正常工作的風險。

　　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、數字隔離器將MCU系統和ADC采集子系統與前端的輸入信號進行了有效隔離，很好的實現了對MCU系統和ADC采集子系統的保護，大大的提高了系統的可靠性，同時利用隔離放大器的信號調理功能代替了原來的信號調理電路(AMP)，簡化電路設計。這個方案相對數字隔離方案增加了隔離放大器的成本，但省掉了信號調理電路，而且目前很多MCU都集成了ADC電路，如果利用MCU內部的ADC電路，還可以節省ADC器件的成本，整體來說，成本增加不明顯，但可靠性更高。