可编程逻辑控制器 (PLC) 和分布式控制系统 (DCS) 用于炼油、造纸和纸浆、化工、水泥以及食品和饮料等不同行业中的自动化控制。PLC 和 DCS 系统使用模拟输入 (AI) 模块接收来自温度、压力、流量、液位、气体和其它传感器和检测器的输入。模拟输入模块对从现场接收的模拟信息进行数字化处理，然后将数字化后的信息传送到 PLC/DCS 的 CPU 模块。然后，CPU 模块可执行任何所需的操作，例如，控制阀门或者是开启或关闭继电器。

模拟输入模块中始终都要进行隔离，原因有两个：

1. 隔离可中断传感器和 CPU 模块之间（它们可能相距数百米）的接地环路以实现可靠的通信。
2. 隔离带来了稳健性，可抵抗工业环境中存在的静电放电 (ESD)、电气快速瞬变 (EFT)、浪涌和其它干扰。

在本文中，我将讨论在分组隔离式和通道至通道隔离式模拟输入模块中选择信号和电源隔离解决方案时的主要考虑因素。

随着自动化应用不断增多，需要监控和处理的信息量也在不断增加。数据越多，需要的传感器和执行器以及相应的 PLC I/O 模块也越多。然而，器件内部的空间也非常宝贵。因此，为了让客户受益，PLC 和 DCS 制造商希望提供通道密度越来越高的紧凑模块。由于许多高通道密度模块紧密封装在一起，所有通道的功耗会导致模块温度升高，进而可能产生可靠性问题。考虑到散热问题，每个模块需要采用功耗比以前更低的设计。此外，电气化和布线的增加也增大了发生电磁干扰的可能性，因此需要更加注意电磁兼容性 (EMC) 问题。

这些一般注意事项适用于分组隔离式和通道至通道隔离式模拟输入模块。分组隔离式模块的成本更低，而通道至通道隔离式模块能够带来稳健性和使用灵活性。精心选择隔离解决方案在任何情况下都至关重要，这也是决定模块尺寸、功率和电磁兼容性的主要因素。

图 3-1 所示为一个分组隔离式模拟模块。分组隔离式模块接收来自多个传感器的输入（例如温度、压力和液位），相对于单个参考场接地端（图 3-1 中的 ISOGND）。如果预计传感器接地端和 ISOGND 之间的共模电压差异会很大，则模拟输入可为差分输入，如图 3-1 所示。否则，这些输入为单端输入。可使用一个差分放大器 (AMP) 抑制输入共模，并提供以 ISOGND 为基准的单端信号。使用具有高共模抑制能力的放大器时，不同输入之间以及相对于 ISOGND 的共模差异会较大。模拟输入通常设计为可通过软件配置为电压输入（以便接收 0V 至 5V、-5V 至 +5V 和 -10V 至 +10V 输入）或电流输入 (0-20mA)。对于电流输入模式，负载电阻 R_B 在模拟输入的正负端子之间切换。

图 3-1 分组隔离式模拟输入模块中的信号和电源隔离.

可使用一个多路复用器 (MUX) 定期将不同的通道输入多路复用到 ADC。ADC 使用单个隔离式 SPI 接口与系统控制器（MCU、FPGA 或 ASIC）进行连接。分组隔离的主要优点是可降低 ADC 与信号和电源隔离的成本，并减小模块的整体尺寸。需要额外的隔离通道来控制多路复用器和负载电阻器开关。不过，成本仍然低于必须为每个模拟输入通道使用专用 ADC 和隔离器的解决方案。

单个隔离式电源（例如推挽式转换器）可为隔离侧的所有电路供电。根据实施情况，除了 5V 电源外，可能还需要 +15V 和 -15V 电源。