多通道模拟采集的隔离防护

　　一、引言

　　在工业生产过程自动化系统中，工业现场需要监测电压、电流、温度、压力、应力及流量等多种现场物理量，综合成本和适用性考虑，DCS的I/O板卡以及信号传输等涉及到信号采集的部分都采用多通道的模拟采集的技术。工业现场应用环境常会涉及危险级电压、瞬态信号、共模电压及不稳定地电位，可能会损坏测量系统，降低测量精度。为了克服以上缺陷，工业应用中的测量系统设计会加入电气隔离。

　　二、不隔离、组隔离、点隔离的模拟多通道采集方案

　　工业现场的多通道采集系统设计，综合现场的电气环境与实际设计成本的考虑，一般分为三种隔离方案：不隔离、组隔离、点隔离。

　　1、不隔离

　　不隔离的多通道模拟采集方案如图1，这种采集方案的缺点在于，从工业现场来的各路模拟量信号都存在不同的地电势，模拟多路器无法完全消除这些共模电压差异，会造成各信号通道之间的串扰;如果共模电压过大，甚至会烧毁整个系统。所以一般采用不隔离方案的模拟多通道采集设计，都需要在信号输入前端用多个隔离栅设备进行电气隔离，以提高系统抗干扰度，增加系统可靠性。

　　图1

　　2、组隔离

　　组隔离的多通道模拟采集方案就是将多路输入信号分组进行隔离，以减小共模干扰产生的几率。组隔离的方案，仍然不能完全消除未分组的信号通道之间的共模电压差异而引起的串扰问题。如果多路输入的信号来源于同一个设备或电气环境，选用组隔离的方案可以节省成本，相应的共模干扰问题也小很多。

　　一般组隔离有两种方式，一种是数字隔离方案，如图2(组隔离方案的其中一组AI1~AI4)。这种采集方案，利用数字隔离器件和DCDC隔离电源将采集板后端的MCU系统与前端的信号调理电路和ADC电路隔离开来，实现了对MCU系统的保护，但是各通道信号输入端的共模干扰会造成采样精度下降，而且一般ADC器件的共模输入范围较小，这种方案会存在因共模电压过高造成ADC器件的损坏，进而使得整个系统无法正常工作的风险。

　　图2

　　另一种是模拟隔离方案，如图3(组隔离方案的其中一组AI1~AI4)。这种组隔离方案较数字隔离方案的不同在于采用了隔离放大器;利用隔离放大器、DCDC隔离电源、数字隔离器将MCU系统和ADC采集子系统与前端的输入信号进行了有效隔离，很好的实现了对MCU系统和ADC采集子系统的保护，大大的提高了系统的可靠性，同时利用隔离放大器的信号调理功能代替了原来的信号调理电路(AMP)，简化电路设计。这个方案相对数字隔离方案增加了隔离放大器的成本，但省掉了信号调理电路，而且目前很多MCU都集成了ADC电路，如果利用MCU内部的ADC电路，还可以节省ADC器件的成本，整体来说，成本增加不明显，但可靠性更高。