HK模塊在兩線制及HART隔離傳輸中的應用

    摘要：兩線制信號及HART傳輸應用中，因接地回路問題，不同的地電勢產生回路電流從而引入共模干擾，產生4-20mA信號的傳輸誤差，或造成HART通訊的中斷等，更有甚者造成設備端口器件損壞。使用有效的電氣隔離方法，形成兩線制信號及HART的隔離傳輸應用，解決上述所述問題，提高系統可靠性。

    一、信號傳輸中的接地回路問題及地電勢差異

    儀表電路中可能導致出現接地回路的原因很多。當信號傳輸和接收裝置連接到不同的接地點或不同的電源時，都會出現對地回路，這在長距離電纜傳輸時很常見。它們也可能是由于設備的金屬外殼與地面發生了物理接觸而產生的。接地回路導致了一個不被人注意的電氣回路，從而產生了一個誤差源。

    由于無法在信號的接收端通過簡單的觀測來測定信號的精度，因此不同接地電位產生的對地環流將為信號回路引入無法檢測的誤差。

    在沒有做信號隔離的兩線制信號傳輸中，存在著這些接地回路導致的信號誤差問題。

    在某些情況下，雷電、浪涌等信號會隨著長線加載在信號線上，損壞端口上的調制或檢測器件。

    在另外一種情況下，兩個器件的端口參考的地電勢不同，可能會造成端口電壓的超標，從而損壞器件端口。

    二、非隔離的兩線制信號傳輸方式

圖一

    圖一的電路中，傳感器的信號經過ADC轉換成數字信號，再經MCU發送給電流環DAC及HART調制器，形成4-20mA的信號輸出，電流環DAC從PLC輸出的4-20mA總線上取電，經內置的電壓調節器輸出3.3V及2.5V，給MCU及HART調制器提供少量的電源。

    圖一的這種傳輸方式，兩線制儀表與遠端的PLC的接地電勢存在電勢差，從而引入共模干擾，這種干擾會引起4-20mA信號的傳輸誤差，也會影響HART總線的正常通訊；如果共模干擾過大（超過了內部器件的共模電壓允許范圍），甚至造成兩線制儀表內部的器件損壞。

    三、隔離兩線制信號傳輸方式

圖二

    基于上述因地電勢不同而存在的隱患，可以用數字隔離的方式將MCU與電流環DAC及HART調制器進行隔離，電流環DAC及HART調制器屬浮地形式，使得兩線制儀表與PLC系統兩個地電勢之間形成高阻抗，降低地線之間的回路電流，形成兩個設備間的電氣隔離，從而降低了4-20mA信號的傳輸誤差，同時消除了共模干擾的隱患。