在惡劣的工廠和工藝環(huán)境中，可編程邏輯控制器（PLC）模擬輸入模塊的可靠性要求極為嚴(yán)格，需要支持高達(dá)數(shù)百伏的高共模電壓。這種共模電壓來源廣泛，主要是由耦合或線路問題導(dǎo)致的。在存在高共模電壓的情況下，要保持模擬轉(zhuǎn)換所需的精度，對模塊設(shè)計人員而言是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
本文將全面探討高共模電壓信號的來源和典型工業(yè)要求，同時詳細(xì)介紹信號隔離和信號調(diào)節(jié)的實施方法。在信號隔離方面，您可以使用高電壓開關(guān)或高電壓多路復(fù)用器對整個通道或僅接口應(yīng)用信號隔離。而信號調(diào)節(jié)可通過分立方式或通過集成式差分放大器來實現(xiàn)。接下來，我們將對不同的實現(xiàn)方式及其對輸入阻抗、噪聲、帶寬和共模抑制等其他信號鏈參數(shù)的影響進(jìn)行深入比較。
在工業(yè)應(yīng)用中，采用具有隔離接地的 PLC 模擬輸入模塊和數(shù)據(jù)采集卡是常見的做法，這有助于提高模塊的可靠性，并使輸入級能夠跟蹤源接地。當(dāng)通過差分信號將接地點不同的兩個源連接至輸入時（如圖 1 所示），其中一個輸入通道將經(jīng)受共模電壓信號。需要注意的是，這只是一個高度簡化的說明，實際上，可能存在與機箱接地、大地接地或保護(hù)接地和屏蔽電纜的連接，以及電纜屏蔽層的連接（為簡單起見，圖中省略了這一點）。
圖 1: 共模信號輸入范圍（全輸入范圍）：差分輸入范圍加共模電壓范圍
根據(jù)其來源，共模電壓可能是直流或交流信號。工業(yè)設(shè)備中的共模電壓來源多樣，主要包括以下幾種情況：
- 線路或接地故障：當(dāng)線路出現(xiàn)故障或接地不良時，可能會導(dǎo)致共模電壓的產(chǎn)生。
- 電磁干擾耦合：由附近電機、機器或大功率瞬變的電磁干擾引起的與電纜或端子的電容或電感耦合，也會產(chǎn)生共模電壓。
- 雷擊影響：電纜遭受雷擊時，會引入高共模電壓。
例如，未接地的電線在 50Hz 至 60Hz 下的共模噪聲水平通常為 4V 至 5V。一些化工廠可能會遇到高達(dá) 60V 的共模噪聲。而船用系統(tǒng)具有高達(dá) 35V 的共模噪聲信號。
值得注意的是，共模電壓的存在并非總是無意的。一些應(yīng)用在設(shè)計上就具有共模電壓差，例如連接到高壓電池中的電芯的輸入、浸入電解質(zhì)溶液或熔融金屬熔爐中的裸露熱電偶。
如果模擬輸入模塊不是為高電壓設(shè)計的，高共模電壓可能會導(dǎo)致電壓超過輸入級放大器、多路復(fù)用器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的額定值，從而導(dǎo)致性電路損壞。即使輸入受到高壓保護(hù)，高共模電壓也可能導(dǎo)致精度下降并導(dǎo)致讀數(shù)不可靠。
模擬輸入模塊上的高共模電壓有不同的支持級別，具體如下：
- 過壓保護(hù)：該模塊受到高共模電壓保護(hù)，但在發(fā)生過壓事件期間不一定運行，發(fā)生此類事件期間的讀數(shù)有誤。
- 過壓診斷和故障警報：過壓事件由該模塊檢測并給處理器以指示故障，這可以確保所有讀數(shù)的可靠性，過壓期間沒有讀數(shù)。
- 正常運行，精度降低：一些模塊可以在發(fā)生高共模電壓事件期間運行，但精度會降低。
- 正常運行，精度不受任何影響：在這種高共模電壓支持級別下，輸入模塊即使在發(fā)生此類事件期間也能保持高精度。
設(shè)計難題在于如何在高共模電壓下實現(xiàn)正常運行（精度不受影響或降低）。
有三種通用技術(shù)可以支持模擬輸入上的高共模電壓，并提供多種拓?fù)洌?/p>
- 接地隔離：可為每個通道創(chuàng)建具有單獨本地接地的完全隔離通道，通道之間的共模差可以與隔離器件的隔離柵一樣高，該技術(shù)通?？蛇_(dá)到幾千伏范圍內(nèi)的可能共模電壓。
- 共模阻斷：使用 PhotoMOS 開關(guān)或高電壓多路復(fù)用器。有源通道通過信號鏈，并將負(fù)極端子假定為接地端（模塊接地被隔離），所有其他通道都通過具有高阻斷電壓的開關(guān)進(jìn)行阻斷。
- 共模調(diào)節(jié)：使用電阻分壓器和儀表放大器（INA），或采用分立式或集成式差分放大器。通過放大器之前或周圍的無源衰減來降低高共模電壓，從而避免超過放大器電壓限制。阻斷和調(diào)節(jié)技術(shù)都可以實現(xiàn)基于器件和電源的中低共模電壓支持。
該拓?fù)淇蓪崿F(xiàn)更大的共模范圍，它依賴于在電隔離島中構(gòu)建單獨的輸入通道，每個島具有單獨的懸空接地，如圖 2 所示。ADC 通過數(shù)字信號隔離器連接至處理單元，通過隔離式功率級對模擬前端和 ADC 進(jìn)行供電。ISO6742 等數(shù)字隔離器可實現(xiàn) 5k VRMS 隔離電壓，可能高于現(xiàn)成變壓器隔離電壓（1.5kVRMS 至 5kVRMS）。如果一個通道所需的功率低于 0.5W，ISOW7741 等集成式電源和數(shù)據(jù)隔離器可幫助節(jié)省空間和成本。
圖 2: 通道間隔離拓?fù)?/p>
通道間隔離拓?fù)湟竺總€通道具有單獨的模擬前端、轉(zhuǎn)換器、隔離器和功率級，因此該拓?fù)涑杀靖?，功耗更高，占用的板面積也更大。但它可以實現(xiàn)更高的共模電壓范圍、更佳的性能和更高的可靠性。
高電壓多路復(fù)用器是支持高共模電壓的極具吸引力的解決方案。它們不會影響輸入阻抗，并能實現(xiàn)快速開關(guān)和寬帶寬。它們相對較新，是高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)近取得進(jìn)展的結(jié)果。它們需要涵蓋共模電壓范圍和輸入差分信號的電源，此外，需要為模擬信號鏈中的其他器件（例如放大器）提供保護(hù)，使其免受可能的高電壓的影響。
圖 3: 高電壓多路復(fù)用器拓?fù)浞娇驁D
圖 3 顯示了 TMUX81094 1 比 1 差分高電壓多路復(fù)用器。除 ±10V 的典型差分輸入之外，該 100V 多路復(fù)用器還可以支持 80V 的共模電壓差。通過在多路復(fù)用器之后使用過壓保護(hù)放大器（例如圖 3 所示的 INA823），可以消除對外部保護(hù)二極管的需求，并且支持使用典型電壓信號鏈（例如 ±15V）。
將信號接地（通常在模擬輸入模塊中隔離）連接到活動通道（圖 3 中的 CH1）的負(fù)輸入可確?；顒油ǖ勒_地偏置模塊信號鏈。通道之間的切換時間受放大器開關(guān)時間的限制，對于 0.001% 穩(wěn)定，該時間約為 14μs。如果可以在板上生成高電壓電源，則高電壓多路復(fù)用器支持 50V 至 80V 范圍內(nèi)的共模電壓差。需要注意的是，每個電源軌所需的高電壓電源電流低于 0.5mA。如果只需要高阻斷電壓，請考慮具有多通道輸入的高電壓開關(guān)，例如 TMUX8212，如圖 4 所示。
圖 4: 高電壓開關(guān)拓?fù)浞娇驁D
可以安排單極單擲 photoMOS 開關(guān)來創(chuàng)建差分 N 比 1 多路復(fù)用器，也可以將其用作開關(guān)，如圖 3 和圖 4 所示。由于 photoMOS 開關(guān)具有高阻斷電壓（60V 至 300V），因此產(chǎn)生的多路復(fù)用器類似于高電壓多路復(fù)用器。
photoMOS 開關(guān)的主要優(yōu)點是這些開關(guān)不需要高電壓電源即可工作，而且這些開關(guān)通常具有低阻抗（其范圍僅為幾 Ω）。不過，這些開關(guān)也有缺點，它們在控制引腳上需要相對較高的電流（差分輸入雙路開關(guān)約為 7mA），在關(guān)閉狀態(tài)下具有相對較高的漏電流（可以達(dá)到 1μA），并且開關(guān)時間較長（幾毫秒）。
圖 5 展示了一個電阻分壓器，后跟 INA826 INA。分壓器可以降低共模電壓，但也可以調(diào)節(jié)差分輸入信號。為了盡可能擴(kuò)大動態(tài)范圍，INA 可以放大差分信號，使其恢復(fù)到原始信號電平。
圖 5: 一個電阻分壓器后跟 INA 的拓?fù)?/p>
該拓?fù)涞臋?quán)衡包括：
- 共模范圍與輸入噪聲：高 Ri 與 Rf 比可增大共模電壓范圍，但也會使輸入信號衰減，并在被再次放大 G2 時增加輸入噪聲。
- 輸入阻抗與輸入噪聲：高 Ri 和 Rf 可以增加輸入阻抗，但也會增加輸入噪聲。
- 精密高阻值電阻器的獲取難度：精密高阻值電阻器并不容易獲得，這會將輸入阻抗的實際上限設(shè)置為約 1MΩ。
如果使用 ±15V 電源，則 G1 = 0.249 且 G2 = 4.01 會產(chǎn)生 ±36V 的共模電壓范圍。該拓?fù)涞墓材Ｒ种票龋–MRR）是電阻器精度的函數(shù)，其范圍通常為 70dB 至 80dB。失調(diào)電壓取決于共模，由于無法補償增益漂移（電阻器溫度系數(shù)）和取決于共模的失調(diào)電壓，因此該拓?fù)涞牟粶?zhǔn)確下限高于滿量程的 0.1%。
圖 6 顯示的分立式差分放大器可在保持差分輸入信號的同時抑制共模信號。放大器增益由方程式 3 表示。
圖 6: 分立式差分放大器拓?fù)?/p>
對于 ±15V 電源，該拓?fù)涞墓材ｋ妷悍秶嬎憬Y(jié)果為 ±36V。該拓?fù)渚哂信c電阻分壓器拓?fù)漕愃频娜秉c – 在某些方面更糟糕。重要的權(quán)衡是輸入阻抗與帶寬，在高輸入阻抗的情況下，高 Rf 以及放大器的輸出電容極大地限制了級帶寬。1MΩ 輸入阻抗和 G = 1 會導(dǎo)致帶寬小于 10kHz。出于實際考慮，輸入阻抗通常限制為 1MΩ。
圖 7 所示的 INA148 放大器等集成器件可以顯著消除分立式差分放大器的缺點。集成電阻器后，可以將電阻器之間的匹配度修整至更高的值。由于可以修整到任意的電阻器阻值，因此能夠?qū)崿F(xiàn)使用較低阻抗的更復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)，從而極大地擴(kuò)展差動放大器的帶寬。
圖 7: 集成式差分放大器
憑借復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)，可在 ±15V 電源下實現(xiàn) ±200V 的共模范圍、超低的增益誤差（小于 0.1%）和超高的 CMRR（大于 86dB）。該拓?fù)淇梢栽谕ǖ篱g實現(xiàn)后實現(xiàn)更高的共模電壓范圍。
面對眾多的拓?fù)浞N類，不要不知所措。影響拓?fù)溥x擇的主要參數(shù)是共模電壓范圍、信號帶寬、是否需要快速開關(guān)（多路復(fù)用系統(tǒng)）、所需的輸入阻抗和總成本。阻斷拓?fù)涫嵌嗦窂?fù)用的，可減少 ADC 通道數(shù)量并降低系統(tǒng)成本。其他拓?fù)湟竺客ǖ啦捎靡粋€放大器，但通常提供更寬的帶寬，在同步采樣的情況下這是強制性的。
表 1 比較了不同的拓?fù)洹?/p>
| 拓?fù)漕愋?/th> | 共模電壓范圍 | 信號帶寬 | 快速開關(guān) | 輸入阻抗 | 成本 |
|---|
| 通道間隔離式拓?fù)?/td> | 超高（大于 200V） | 較寬 | 可實現(xiàn) | 較高 | 高 |
| PhotoMOS 開關(guān) | 50 - 200V | 較窄 | 慢 | 較高 | 中 |
| 集成分立式放大器 | 50 - 200V | 較寬 | 可實現(xiàn) | 較高 | 中 |
| 高電壓多路復(fù)用器 | 小于 50V | 寬 | 快 | 不受影響 | 低 |
| 電阻分壓器 | 適中 | 適中 | 適中 | 適中 | 中 |
| 集成式差分放大器 | 高 | 寬 | 可實現(xiàn) | 較高 | 高 |
| 分立放大器 | 適中 | 較窄 | 可實現(xiàn) | 較高 | 低 |
如果您需要超高的共模范圍（大于 200V），則通道間隔離式拓?fù)涫堑倪x擇。對于 50 和 200 之間的共模范圍，您可以選擇 photoMOS 開關(guān)（如果可以接受非常慢的開關(guān)）或為每個通道提供一個集成分立式放大器。對于小于 50V 的共模范圍，請選擇高電壓多路復(fù)用器。如果需要高輸入阻抗，則可以在多路復(fù)用系統(tǒng)中使用多路復(fù)用器拓?fù)?，速率高達(dá) 50kSPS。
當(dāng)需要同步采樣或仍將使用多通道 ADC 時，請選擇基于放大器的方法。集成式差分放大器具有更高的性能，而分立放大器具有更低的性能，但其成本更低。電阻分壓器在性能和成本方面都處于中間位置。
