兩線制智能儀表的信號隔離方案

 摘 要：兩線制智能儀表以其應用簡單，成本低廉的特點大量地應用于壓力、溫度等過程參數(shù)檢測的一次儀表中。然而兩線制回路需要同時傳輸能量和高精度信號，這就使得信號的隔離變得非常困難。本文介紹了兩線制回路的基本工作方式。并以此為基礎分析了現(xiàn)有無源電流信號隔離器在兩線制信號隔離電路中的不足，進而介紹了傳輸精度更高的基于TS107L-F-2兩線制隔離轉(zhuǎn)換器的信號隔離方案及其配電擴展方案。最后針對智能儀表的通信要求介紹了TS107HL-F-2在兩線制回路中的Hart信號隔離傳輸方案。

關(guān)鍵詞：智能儀表、兩線制、信號隔離、Hart通信

1、兩線制信號傳輸?shù)幕痉绞?/p>

圖1 兩線制典型應用框圖

兩線制信號傳輸方式的典型電路如圖1所示。在信號檢測端主要包括傳感器和二線制轉(zhuǎn)換器兩部分組成。在信號接收端包括兩線制回路供電電源VL和電流檢測電路組成。一般電流檢測電路由精密電阻RL將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號再通過AD轉(zhuǎn)換傳送到控制系統(tǒng)中。

兩線制轉(zhuǎn)換器的功能是將兩線制回路的電壓Vin轉(zhuǎn)換成傳感器的供電電壓Vcc，同時根據(jù)傳感器的輸入信號Sin控制兩線制回路Vin的負載電流Is。這里Is就是兩線制電路傳輸?shù)?~20mA電流信號。

在兩線制回路中，只有唯一的電壓源VL，負載分別為Vin和VRL。由于電流檢測電阻流過電流信號Is，因此在電阻不變的情況下電壓VRL由Is決定。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，兩線制接口的電壓Vin應當是隨著VRL的變化而變化的，并且滿足以下等式(1)：

Vin=VL-VRL(不考慮線路阻抗的壓降) (1)

由于Is由電路信號決定，因此Vin決定了二線制轉(zhuǎn)換器的輸入能量，進而也決定了二線制轉(zhuǎn)換器Vcc的最大輸出能量。

2、兩線制應用的常規(guī)隔離方案

在一次儀表現(xiàn)場過程信號檢測的應用中，信號檢測端和信號收集端需要通過較長的信號傳輸線傳輸信號。由于一次儀表多為金屬外殼，使用時需要接地處理，因此信號傳輸線也會通過兩線制接口和大地相連。這時的信號傳輸線就像是一根接地天線，可以有效地接收各種電磁波信號。同時各種累積到傳輸線的電荷均會通過兩線制接口導入大地，這會對兩線制電路的信號傳輸帶來極大的干擾。

為了抑制信號傳輸線接地對信號的干擾，實際應用中一般需要將信號傳輸線連入傳感器之前先進行隔離處理。常規(guī)的解決方案如圖2所示，在兩線制回路和二線制轉(zhuǎn)換器中間加一個無源的電流信號隔離器即可實現(xiàn)信號的隔離傳輸。圖中使用的無源電流信號隔離器是金升陽的T1100L-F。

圖2 現(xiàn)有兩線制回路隔離方案

T1100L-F可以在不需要外界供電的情況下將4~20mA的電流信號等比隔離傳輸。能量的輸入端電壓最高達到30V時，輸出端可以實現(xiàn)最高25V電壓以及信號電流的輸出，有效的實現(xiàn)了信號和能量的隔離傳輸。該方案使用簡單，適用于各種需要4~20mA電流信號隔離的場合，但是依然存在不足，主要包括以下兩點：

1)信號傳輸精度低

由于同時隔離傳輸電流和能量，無源信號隔離器的信號傳輸精度一般在0.3%以下。

2)存在回路壓降

無源電流信號隔離器的電流等比傳輸，自身電路工作的能量來自于電流信號的輸入輸出電壓差，即兩線制回路壓降。T1100L-F的電壓差最大為5V，這時上述等式(1)就增加了一個隔離器的電壓降，如下述等式(2)：

Vin=VL-VRL-5V(不考慮線路阻抗的壓降) (2)

由于Vin決定了二線制轉(zhuǎn)換器的輸出能量，因此Vin的降低意味著二線制轉(zhuǎn)換器的配電功率降低。一般集成了兩線制轉(zhuǎn)換器的兩線制傳感器會有最小輸入電壓要求，Vin的降低也容易導致兩線制傳感器供電電壓不足。

3、基于TS107L-F-2的兩線制信號隔離方案

圖3 TS107L-F-2兩線制信號隔離方案

為了進一步提高兩線制信號隔離傳輸電路的信號傳輸精度，同時簡化兩線制接口電路，可以采用集成二線制轉(zhuǎn)換器和信號隔離電路的TS107L-F-2。TS107L-F-2是金升陽專為兩線制信號傳輸電路設計的兩線制隔離轉(zhuǎn)換器，主要的性能參數(shù)如下表：

和采用無源電流信號隔離器的兩線制隔離方案相比，TS107L-F-2的信號傳輸精度高，回路壓降低，同時26*9.5*12.5mm的小體積為兩線制傳感器的設計留出了更加廣闊的空間。

由于兩線制回路供電的能量有限，在傳感器檢測電路的設計中應當盡量選擇功耗低的元器件。如果采用低功耗的元器件時TS107L-F-2依然不能滿足供電要求，可以采用增加HK電源模塊的方式提高兩線制回路的供電能力。具體的連接方案入圖4所示。

圖4 HK電源擴展方案

由于TS107L-F-2的最低輸入電壓只有10V，遠低于一般兩線制回路能夠提供的電壓，因此在兩線制回路中還可以串聯(lián)一個乃至多個HK電源。HK5S03B的輸入電壓為5V，這時兩個模塊的回路壓降為15V，電源輸出端則有了兩個電源端Vcc1和Vcc2。通過用Vcc1和Vcc2給傳感器的不同電路供電，就可以有效的解決兩線制回路配電電源功率不足的問題。根據(jù)配電功率和電壓要求的不同，可以選擇以下不同的HK電源給兩線制傳感器提供額外的電源。

以上輸出電流能力是輸入端電流為4mA時的值，如果輸入電流減小，輸出電流能力也會相應降低，因此使用時應當注意兩線制回路電流小于4mA時對配電輸出電流的影響。

4、兩線制應用的Hart通信隔離方案

圖5 帶Hart通信功能的兩線制應用方案

在智能儀表中，除了要傳輸4~20mA的模擬量信號，還要求具備Hart通信功能。這時可以采用TS107L-F-2的Hart版TS107HL-F-2。和TS107L-F-2的主要區(qū)別在于，TS107HL-F-2多了一路Hart信號隔離傳輸接口，如圖5所示。由于TS107HL-F-2本身具備電壓信號轉(zhuǎn)4~20mA電流信號的功能，類似于ADI的AD5421，因此只要采用AD5700在電壓信號輸入端耦合進Hart信號就可以實現(xiàn)Hart信號的發(fā)送。Hart信號的返回則通過TS107HL-F-2的自帶Hart信號隔離接口實現(xiàn)信號的回傳。

另外，為了有效的實現(xiàn)Hart信號的隔離傳輸，TS107HL-F-2的模擬輸入信號變成了0.4V~2V。

5、總結(jié)

在一次儀表端的兩線制信號隔離方案中，采用無源電流信號隔離器T1100L-F，可以在不改變兩線制轉(zhuǎn)換電路的情況下實現(xiàn)電氣隔離，適合現(xiàn)有兩線制儀表的升級。采用集成二線制轉(zhuǎn)換器和信號隔離電路的TS107L-F-2產(chǎn)品，可以簡化兩線制接口電路并滿足高精度的兩線制信號傳輸，配合HK電源還可以提高兩線制儀表的電源功率，滿足不同配電功率的要求。在需要Hart通信功能的智能儀表行業(yè)，可以選用同時隔離傳輸模擬信號和Hart信號的TS107HL-F-2。

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