1、隔離端子的抗干擾和應(yīng)用選擇技術(shù)分類： 嵌入式系統(tǒng)  | 2007-05-23 來源：中國儀器儀表生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制中要用到多種自動(dòng)化儀表、面對(duì)越來越惡劣的環(huán)境，為解決干擾，儀表接入的隔離端子必須達(dá)到兩個(gè)基本要求：第一是解決各種設(shè)備、儀表"地"之間的差，即信號(hào)參考點(diǎn)的電位差；第二是電磁兼容。一 電氣隔離和電磁兼容-隔離端子抗干擾的基本要求1. 電氣隔離的兩個(gè)原則不同設(shè)備儀表的、帶有不同共模的信號(hào)輸入到DCS、PLC等控制系統(tǒng)，如果不加處理而直接聯(lián)入，可能出現(xiàn)因信號(hào)具有"共模不同"的干擾。所謂"共模不同"主要指信號(hào)間的參考點(diǎn)電位

2、差。隔離端子的輸入/輸出電氣隔離特性使它抑制共模信號(hào)的能力很強(qiáng)，它可將帶有共模的信號(hào)經(jīng)過隔離輸出成為不含共模的信號(hào)。所以只要在每路外部信號(hào)和控制系統(tǒng)的采集板之間插入隔離端子就能解決這個(gè)問題。還有一種情況，要求一個(gè)信號(hào)既能向顯示儀表輸送信號(hào)，又能傳送給變頻器之類的設(shè)備。這時(shí)除了輸入和輸出隔離之外，要求2個(gè)輸出之間相互隔離以消除設(shè)備互擾。此時(shí)可使用隔離式信號(hào)分配器，如圖1的WS15242。綜上所述，解決參考點(diǎn)電位差類型的干擾要遵循兩個(gè)原則。第一：外部設(shè)備信號(hào)與中央處理系統(tǒng)(例如PLC、DCS)之間要進(jìn)行電氣隔離。 第二：外部信號(hào)(對(duì)系統(tǒng)的接口而言，無論是接收來的信號(hào)還是向外發(fā)出的信號(hào))之間要相互電

3、氣隔離。系統(tǒng)安裝遵循了這兩個(gè)原則，就能完全克服由于參考點(diǎn)電位差引入的干擾。大多數(shù)隔離端子都要外加工作電源，一般為DC 24V或AC 220V。這個(gè)電源在為輸入、輸出部分供電時(shí)必須確保在電氣上與輸入/輸出兩個(gè)部分隔離。這種輸入/輸出/外加工作電源之間相互隔離的產(chǎn)品稱為全隔離端子。從理論上講，這種供電方式不管隔離端子數(shù)量多少，均可用一臺(tái)電源供電。這樣的連接符合上述兩個(gè)原則。2. 電磁兼容根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)定義，電磁兼容(EMC)是電子設(shè)備的一種功能。電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。按EMC標(biāo)準(zhǔn)，要求隔離端子達(dá)到：在電磁干擾環(huán)境中能正常工作，無性能降低或故障，保證

4、精確度、穩(wěn)定性等參數(shù)變化在規(guī)定范圍內(nèi)。同時(shí)隔離端子作為電磁騷擾源而產(chǎn)生的電磁強(qiáng)度也要控制在規(guī)定范圍內(nèi)，減弱它對(duì)環(huán)境的電磁污染。國際電工委員會(huì)(IEC)在1997年和1999年發(fā)布了關(guān)于工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗(yàn)、工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)作為電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)。我國也發(fā)布了與它等同的文件：GB/T17799.2-2003和GB17799.4-2001。歐盟CE也有同樣標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范進(jìn)入歐盟市場(chǎng)的產(chǎn)品。這些文件也是隔離端子應(yīng)該達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。形成電磁干擾后果必須具備3個(gè)基本要素，即電磁騷擾源、耦合通道、敏感設(shè)備。EMC設(shè)計(jì)的任務(wù)就是減弱騷擾源能量、切斷耦合通道、提高設(shè)備對(duì)電磁干擾的抵抗能力。隔離端子的EMC也要從設(shè)

5、計(jì)做起。由于它屬于處理信號(hào)的儀表，功率小，對(duì)外發(fā)射能量也低。在設(shè)計(jì)上只要稍加注意減弱產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的電磁污染，"工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)"要求比較容易達(dá)到。它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在提高對(duì)電磁騷擾的抵抗能力。圖2給出兩種隔離端子在射頻調(diào)幅電磁場(chǎng)試驗(yàn)中輸出信號(hào)的變化情況，用以說明電磁兼容的重要性。二 應(yīng)用選擇1. 依據(jù)接口選擇產(chǎn)品工業(yè)過程控制中最常見的信號(hào)是420mA、010V，壓力、溫度、流量等物理量要轉(zhuǎn)換成420mA、010V信號(hào)送計(jì)算機(jī)處理。將這些物理量轉(zhuǎn)換為420mA、010V信號(hào)的設(shè)備稱為變送器。圖3為隔離溫度變送器應(yīng)用連線圖。圖中Pt100是以電阻變化體現(xiàn)溫度變化的溫度傳感器，所以連

6、接線的引線電阻會(huì)引入誤差。WS9050、WS2050這類變送器具有長(zhǎng)線補(bǔ)償功能，可消除引線電阻的誤差并有線性化功能，確保轉(zhuǎn)換精確度。WS2050這類二線制變送器，它的電源與輸出共"地"，沒有隔離。當(dāng)多個(gè)Pt100經(jīng)由多路WS2050輸送到PLC時(shí)，雖然輸出共用一個(gè)24V電源，只要輸出接到有共同參考點(diǎn)的模擬量輸入板，這種連接就符合本文上述指出的兩個(gè)原則。需要注意的是：多路WS2050接到不同的PLC就要使用各自的24V電源。針對(duì)變送器的隔離還有另一種方式，傳感器和變送器為一體而又必須放置在現(xiàn)場(chǎng)指定地點(diǎn)。此時(shí)一般把隔離端子安置在中央控制室機(jī)柜中，由機(jī)柜中的隔離端子為現(xiàn)場(chǎng)變送器配

7、送電源。圖4給出了針對(duì)不同接口的兩種產(chǎn)品連線圖。使用哪一種要根據(jù)PLC接口情況決定。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也會(huì)出現(xiàn)儀表和PLC接口不匹配，發(fā)送設(shè)備為四線制變送器輸出420mA，而接收端420mA的接口為二線回路供電方式(圖5中24V電源和RL方式)，若直接連接將造成電源沖突。解決方法是采用隔離端子將現(xiàn)場(chǎng)的420mA接收并隔離，在隔離端子內(nèi)部輸出部分安裝一個(gè)專用電路用以匹配和PLC的二線回路供電接口方式。見圖5。這種隔離端子也可以處理010V，05A AC等輸入電壓電流信號(hào)。 圖3至圖5表明選擇隔離端子首先依據(jù)輸入端口是接傳感器還是電壓電流信號(hào)、或者是接二線制變送器，其次輸出是電壓還是電流，如果輸出是420m

8、A電流還要確定是圖4的PLC兩種接收方式的哪一種。  一般420mA電流信號(hào)隔離器需要外接工作電源。這里推薦一種不用另外再加電源的隔離器WS1562。如圖6。WS1562的最大特點(diǎn)是無需外接電源，接線簡(jiǎn)捷、功耗低、可靠性能高，多路連接符合上述兩個(gè)原則。圖7是WS1562在輸出為20mA條件下，輸出負(fù)載和輸入端電壓關(guān)系曲線。VIN表示輸入端電壓、RL表示輸出負(fù)載電阻、VO表示輸出負(fù)載電阻上的電壓。圖8給出兩種無源隔離器輸出負(fù)載對(duì)線性度曲線，其中實(shí)線描繪的性能較好，輸出負(fù)載電阻RL從0500變化，線性度都在0.2%以內(nèi)。2. 主要參數(shù)選取選擇隔離端子除了要確定功能、注意適應(yīng)前后端接口外，

9、尚有精確度、功耗、噪音、絕緣強(qiáng)度、總線通信功能等許多參數(shù)需要使用者慎選 精確度是非常重要的參數(shù)。與它有關(guān)系的參數(shù)很多。時(shí)間漂移和溫度漂移2個(gè)參數(shù)表明了 精確度的穩(wěn)定程度，要求這2個(gè)參數(shù)值越小越好。另一個(gè)對(duì)精確度產(chǎn)生影響的參數(shù)是噪音。由于隔離端子一般采用DC/DC產(chǎn)生隔離電源給產(chǎn)品內(nèi)部電路供電，而輸入信號(hào)也要先被調(diào)制成脈沖再經(jīng)過隔離帶(光耦或變壓器)然后解調(diào)到輸出。以CPU為核心的隔離端子也存在脈沖信號(hào)。這些工作脈沖的頻率多在20kHz500kHz范圍，它的邊緣陡峭、諧波豐富，對(duì)信號(hào)的污染很難消除。如果噪音幅度高，數(shù)據(jù)采集器收集到信號(hào)的誤差就大，所以噪音的峰值和能量越小越好。功耗是指隔離端子工作時(shí)消耗的電能，它和產(chǎn)品的內(nèi)部熱量溫度有關(guān)。圖9給出兩種具有不同功耗的隔離端子按2種排列方式：獨(dú)立放置、10只一排緊密排列條件下，內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度(產(chǎn)品說明書上稱為：工作溫度)的關(guān)系曲線。圖9中D曲線表明當(dāng)產(chǎn)品本身消耗功率較大、處于緊密排列、環(huán)境溫度較高時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部溫度就高。長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境將使產(chǎn)品內(nèi)部集成電路參數(shù)蛻變、電阻阻值