摘要：工业生产过程自动化系统中，多通道模拟采集是现场物理量监测的常用方法。在进行多个检测点同时采集数据时，由于多路采集信号存在不同的地电势造成各信号通道之间的相互干扰。为了消除干扰，工业应用中的测量系统设计中会加入电气隔离。   本文列出了多通道模拟采集的几种隔离方案，分析了各种隔离方案的可靠性及适用环境。

关键字：多通道采集、信号隔离、隔离放大器、隔离变送器

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。

图3

广州金升阳科技有限公司推出的隔离变送器模块产品不仅包含隔离放大器的功能，同时还能提供一组隔离的DCDC电源，采用这种隔离变送器模块产品不仅可以简化信号调理电路的设计，同时也可以简化电源设计。如图4，利用隔离变送器模块实现的组隔离的模拟隔离方案。

图4

 3、点隔离

点隔离的多通道模拟采集方案就是将多路输入信号的每个通道进行单独的隔离，消除共模干扰影响，消除通道间的串扰问题，避免了系统因共模电压及不稳定地电位造成损坏的问题。其方案图如图5，采用多个隔离放大器实现每个通道的相互电气隔离，同时完成每个通道的信号调理，通过模拟多路器传送到ADC。这种隔离方案，在信号输入的最前端进行电气隔离，使得来自于不同工业现场仪表的输入信号之间相互电气隔离，避免了共模电压影响及通道串扰问题，不仅对后端的采集系统整体电路形成了完整的保护，同时还保护了各个通道所联接的现场仪表。点隔离方案的多通道模拟采集系统的可靠性，成本相对其它两种方案也较高，但从整个自动化系统来考虑，点隔离方案可以省略采集系统前级的隔离栅设备，使得整个自动化系统的成本大大的降低了。

图5

三、小结

上面列出的几种模拟多通道采集的隔离方案，点隔离方案抗干扰性，可靠性，适用于输入信号来源于不同设备或电气环境，现场电气环境比较恶劣的情况；组隔离方案适用于同一组的多路输入信号来源于同一个设备或电气环境，组隔离的模拟隔离方案实现了对采集系统内部ADC子系统的保护，其可靠性要高于组隔离的数字隔离方案；工业现场环境一般不采用不隔离的方案，不隔离的采集方案，一般需要在信号输入前端用隔离栅设备做各个通道的电气隔离。从整个自动化系统的整体设计来看，采用点隔离方案能够节省采集系统前级的隔离栅设备，同时又有较高的抗干扰性和可靠性，从经济性及适用性来说都值得选用。