仪器仪表与传感器信号带宽及频响的现场匹配技术

概述：工业现场传感器与PLC/FCS/DCS、仪器仪表之间输入输出的模拟信号隔离放大器（亦称模拟量隔离变送器）属于模拟信号调理的范畴。模拟信号隔离放大器能有效保护各级控制回路，消除或减弱环境噪声对测试电路的影响，抑制公共接地、变频器、电磁阀及浪涌脉冲对设备的干扰，同时对下级设备具有信号限压、扼流的功能。是变送器、仪器仪表、变频器、电磁阀、PLC/DCS输入输出及其通讯接口的可靠防护器件。对于有些环境恶劣的工业现场，控制系统错综复杂，高温、震动、潮湿和干扰信号并存，所以通过隔离放大器将输入输出模拟信号进行放大、转换、远传且各系统回路完全隔离，的确是当今自动化控制系统中抗干扰的有效措施之一。

所谓带宽（bandwidth）又叫频宽，是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。在数字设备中，带宽通常以bps表示，即每秒可传输之位数。在模拟设备仪器中，带宽通常以每秒传送周期或赫兹(Hz)来表示。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。

频率响应简称频响，在电子学上用来描述一台仪器仪表、PLC等设备对于不同频率的信号的处理能力的差异。同失真一样，这也是一个非常重要的参数指标。

带宽指标的测试方法如下，在输入端加上一个频率可调的正弦波模拟信号，输出端可以稳定跟随输入端信号的最大频率范围就是带宽。工业信号隔离放大器带宽指标的工程意义是什么呢？在应用当中我们如何理解“带宽”呢?带宽指标反映了隔离放大器对输入信号变化的响应速度。带宽越大，隔离放大器对信号变化的响应速度越快；带宽越小，说明隔离放大器对输入信号瞬间变化反应不敏感，在某些场合也就意味着抗干能力较强。

隔离放大器和隔离变送器的工作原理是首先将传感器、仪器仪表、PLC等发送与接收的标准信号或温度、位移、频率、转速等专用信号通过半导体器件进行调制，再由光感或磁感器件进行隔离转换变送，然后进行解调还原成精度、线性度一致的原有信号或变换成其它信号，同时对隔离前后信号的工作电源进行隔离处理，以保证信号输入、信号输出与辅助电源即变换前后的信号、电源、地之间三隔离。模拟信号隔离放大器和隔离变送器属于工业仪器仪表与传感器分类中的一种器件，其主要功能是模拟量的隔离、放大、转换及变送，因而就必然有信号带宽和频率响应这个基本的技术指标。

工业现场信号传输干扰处理参考方案（变频器抗EMC干扰专用隔离放大器）：

工业现场有变频控制设备、大功率电磁起动设备、GPS高频信号无线收发装置等存在EMC干扰源的系统，需要针对不同的干扰源及系统控制信号的特性来分析确定干扰信号处理解决方案。
1、传感器输出模拟信号上的干扰

在传感器输出端加装ISO系列模拟信号隔离放大器可以有效解决模拟信号传输过程中的衰减和EMC干扰，增强显示控制系统的稳定性和可靠性。用于变频器抗EMC干扰的模拟信号隔离放大器：ISO EM U-P-O-M系列，是在IC内部加装输入信号干扰抑制滤波电路和输出干扰谐波吸收电路，增强抗EMC电磁干扰和高频信号空间干扰功能。特别适用于现场有变频控制设备、大功率电磁起动、GPS高频信号无线收发装置的场合。
2、高频信号辐射的空间干扰
将各控制系统、设备分别加装金属屏蔽盒（不同频率段使用的金属成分不同)并将外壳可靠接地，信号通讯传输线路采用双绞屏蔽电缆。
3、RS232/RS485的远程通讯线路干扰
在RS232/RS485通讯接口上加装DC-DC隔离模块电源，将通讯供电电源与其它电源直接隔离开来。信号通讯传输线路也要采用双绞屏蔽电缆(屏蔽层接地）。
4、系统供电电源电路中的干扰
现场有大电流晶闸管、变频控制设备、大功率电磁起动装置的，对电源系统的供电参数会产生畸变影响。通过电源电路，干扰信号会进入到现场的各个控制装置。因此，首先要确定现场的各个装置接地良好，各装置的供电电源要加装与其相匹配的电源滤波器（低通EMI滤波器或抑制电抗器）。

模拟信号隔离放大器隔离变送器的带宽与频响工业现场技术指标选型应用参考：

1、模拟信号在变化频率缓慢（<50Hz）的场合（如测量温度、压力、位移、流量等），可选用带宽较小、低频响的隔离放大器：ISO EM U(A)-P-O-M系列产品(M：表示低频响)。 所以在变频器控制系统中，为抑制和隔离EMC干扰，常选用：ISO EM U-P-O-M系列的隔离放大器。

2、模拟信号在变化频率高（>2KHz）的场合（如测量转速、调节高速电子开关、开关电源的PWM控制等），为保障采集数据的完整和可靠，常选用高带宽、高低频响的隔离放大器：ISO EM U(A)-P-O-H系列产品(H：表示高频响)。

3、高频与低频响环境以外的大多数系统都选择常规频响（2K）产品：ISO EM A-P-O或ISO EM U-P-O系列。

4、对现场环境有强磁空间干扰（高频电磁大电流负载）场合可选用光电隔离放大器：ISO U(A)-P-O-M系列。

信号隔离器/隔离放大器/隔离变送器IC外型尺寸及PCB布板尺寸参考（SIP12 Pin）

隔离放大器隔离变送器IC，ISO EM系列典型应用接线图（ISO EM A-P-O / ISO EM U-P-O）

零点、增益可调节型隔离放大器IC，ISO EM-T系列典型应用接线图（ISO EM A-P-O-T / ISO EM U-P-O-T）

输入端隔离配电型隔离变送器IC：ISO EM-S系列典型应用接线图（ISO EM A-P-O-S / ISO EM U-P-O-S）