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共模电压原来是这么回事!

鏃ユ湡;2019-07-10  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  相信很多工程师在日常的调试工作中,或多或少会碰到共模电压的问题,尤其在两线制电流变送器接到模拟量输入通道时,更容易产生误解和歧义。因此,很有必要跟大家解释一下共模电压的问题。

  如上图:红色的线和黑色的线组成一个电源轨,为什么称之为电源轨(Rail),这是翻译英文过来的,在西方人眼中,两根电源线,一正一负,就好像铁路的两条铁轨一样,而铁轨的英文单词是Rail。这两条轨永远平行,不能相交,否则火车将会翻车,电源线也一样,正的和负的永远不能短路,否则电源将会烧毁. 我们把电源称之为轨,就是这个意思。

  对于一个公共地端的系统来说,在稳定时,任何一个信号的幅值不可能超出其电源范围,否则这个系统将是不稳定系统. 将会出现e因子。

  信号1和信号2的差模电压定义为两者的差值,这里,等于 20V-16V = 4V.。

  信号1和信号2的共模电压定义为两者的和值,在除以2,这里,等于(20V + 16V)/ 2 = 18V.。

  现在让我们把这个电路的节点1和节点2分别接入到我们的UN 231-0HC22模块上进行测量,看看会有什么结果,如下图:

  UN 231-0HC22是4通道的模拟量测量模块,其内部测量电路是差分电路,也就是说对两个输入端A+和A-的信号差值进行放大测量。

  这个例子中,拨码开关是101,对应的量程是10V,也就是说可以测量A+和A-之间的差值在10V范围之内,如果超出了10V,那么就超量程了,比如是12V,那么读数会固定到32000,不成线性关系。

  A+和A-的差值等于4V,位于量程10V范围之内,参照上述的说法,UN 231-0HC22是能够线V的差值信号,对应的AIW0读数应该是12800。

  但是,别高兴太早,请大家仔细想想,哪里有什么不对劲的地方? 没错,我们过多的关注A+和A-的差值,却忘记了A+和A-的共模电压值。

  正是这个共模电压值,才导致UN 231-0HC22处理不了这两个信号. 这样的测量,AIW0绝对不会是12800,大家感兴趣的话可以做一下试验。现在回到UN 231-0HC22的技术规格书,如下图:

  1、共模抑制,这个参数在这里是针对交流信号的,因为共模电压有直流共模电压和交流共模电压之分,这个参数主要针对交流共模电压,40dB指的是对交流共模电压抑制能力,数值越大,说明对共模电压的抑制能力就越强,说明模块的性能就越好。

  DC到60Hz,指的是交流共模电压的频率范围.在现场应用中,经常会遇到工频干扰,我国的工业用电频率额定值为50Hz,现实中有一定的波动,这个参数,频率越大,说明模块对共模电压的抑制范围就越广,模块的性能就越好。

  当然价格也就会越贵. 60Hz是常见的,有一些高端的测量仪表,这个参数可以达到100Hz甚至120Hz,这是因为考虑了全波整流之后,频率翻倍,变成了100Hz。

  2、共模电压,这个参数在这里是针对直流和交流信号的,尤其是直流共模电压范围. 这里是:信号电压 + 共模电压 ≤ 12V

  从这个参数中可以看出,UN 231-0HC所能允许的共模电压范围一定小于12V. 在上面的例子中,共模电压等于18V,超过了12V,因此,UN 231-0HC22是没有这个能力处理的.

  那么就有很好奇的小伙伴会问了,如果我想提高UN 231-0HC22的共模电压范围,那该怎么办呢?

  首先,提高共模电压范围会带来UN231-0HC22模块价格飞快的上涨。

  再次,你得找一个芯片,其供电电源和你的共模电压相当,甚至还要大。比如你的共模电压是100V,那么你就要找一个120V供电电源的芯片。

  从原理上来说不太现实,但是,我还是想使用UN 231-0HC22来处理很高的共模电压,应该怎么办?

  好的,接下来我们将上面的阐述运用于我们实际碰见的两线制电流变送器上,有下面的两个图:

  图1和图2的区别就在于两线制电流变送器接到UN 231-0HC22的接法不一样,图1和图2的对比相当于:

  看到这里,相信大家都知道哪一种接法不正确,哪一种方法正确了吧?没错,图1的接法不正确,这种接法相当于自己抬高了共模电压。现在来算算看,图1接法的共模电压等于多少?

  因为两线mA流入到A+,然后从A-流出,因为RA和A+短接,此时就相当于A+和A-之间的电阻等于250Ω,所以,当有4mA电流流入A+流出A-时,A+和A-之间的差值电压等于1V,而A+直接接24V+,对地电位等于24V;A-对地电位等于24V - 1V = 23V。

  它们的共模电压等于(24V + 23V) / 2 = 23.5V,远远超出UN 231-0HC22所能承受范围;

  当有20mA电流流入A+流出A-时,A+和A-之间的差值电压等于5V,A+对地电位等于24V,A-对地电位等于24V - 5V = 19V。

  它们的共模电压等于(24V + 19V)/ 2 = 21.5V,远远超出UN 231-0HC22所能承受范围;

  而图2的接法没有问题,图2的接法,A+和A-之间的共模电压值,不会超过2.5V; 远远小于UN 231-0HC22的额定范围,大家感兴趣的话可以自己算一算。


 
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