一、問(wèn)題的由來(lái)

在電子工程專(zhuān)輯的論壇里，有個(gè)網(wǎng)友提問(wèn)：如何解決4－20MA信號(hào)的隔離問(wèn)題。我立刻想到了20多年前解剖的一個(gè)美國(guó)產(chǎn)品的過(guò)程，感覺(jué)在這里寫(xiě)個(gè)帖子，可能會(huì)對(duì)大家有啟發(fā)。

這里要聲明的是本文所論述的內(nèi)容應(yīng)該算是轉(zhuǎn)述，有關(guān)“飛電容”概念的提出應(yīng)該是接近或者超過(guò)30年。1983年我讀碩士生2年級(jí)的時(shí)候，見(jiàn)到了一家美國(guó)公司的一塊數(shù)據(jù)采集板，當(dāng)時(shí)測(cè)繪了其原理圖，由于搞不到整機(jī)的軟件，并沒(méi)有真正理解這個(gè)電路的工作原理。為了選擇碩士論文的題目，當(dāng)時(shí)我主要是泡在圖書(shū)館里看IEEE的文章。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)讀到了一篇講述"Flying Capacitor"文章的題目，老師給的方向是SCADA，電容能不能飛上天應(yīng)該不屬于這個(gè)方向，具體內(nèi)容沒(méi)有看就翻過(guò)去了。中午去餐廳的路上，又在琢磨測(cè)繪的板子的原理。板子中心位置顯著的有8個(gè)米黃色的無(wú)感電容，應(yīng)該是一個(gè)關(guān)鍵吧？想到電容，思緒轉(zhuǎn)向了Flying Capacitor，電容怎么會(huì)飛？下午一定好好看看。

幾年以后，在為一個(gè)1950年代建設(shè)的老電廠進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控的項(xiàng)目中，運(yùn)用過(guò)飛電容原理，效果還算不錯(cuò)。

二、什么叫“飛電容”

圖1是一個(gè)飛電容的示意圖。K1是一個(gè)雙刀雙擲繼電器。當(dāng)開(kāi)關(guān)切換到Vi側(cè)時(shí)Vi給電容C1充電或放電，經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的過(guò)渡過(guò)程以后，電容兩端的電壓應(yīng)該跟Vi相同。當(dāng)開(kāi)關(guān)切換到Vo側(cè)時(shí)，如果負(fù)載阻抗達(dá)到無(wú)窮大，由于電容C1的蓄能功能，Vo應(yīng)該與切換前的Vi相等。從而完成了Vi的隔離轉(zhuǎn)換功能。

三、應(yīng)用領(lǐng)域分析

飛電容隔離方式適合采用速率不是很高的直流信號(hào)的隔離。對(duì)于多路電流方式（如4－20MA）輸出的信號(hào)，一般的隔離措施很難解決共地的問(wèn)題，飛電容方式就非常簡(jiǎn)單，而且直接消除了共模干擾信號(hào)。而對(duì)于多路同一信號(hào)源被多個(gè)系統(tǒng)采樣的應(yīng)用方式，飛電容同樣是解決這一問(wèn)題的利器。

對(duì)于難以共地多個(gè)信號(hào)源進(jìn)行隔離，模擬開(kāi)關(guān)是不能采用的。而對(duì)于一般的模擬隔離方式，由于信號(hào)本身沒(méi)有共地點(diǎn)，必須配置多個(gè)隔離電源，系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。對(duì)于電流輸出的信號(hào)源來(lái)說(shuō)，多數(shù)模擬信號(hào)隔離方式還要克服共模信號(hào)的抑制問(wèn)題。

四、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

飛電容方式?jīng)]有隔離電源，有效消除共模干擾，電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)較高的可靠性。在對(duì)慢速變化的直流信號(hào)進(jìn)行隔離時(shí)，特別是對(duì)那些多個(gè)系統(tǒng)采樣同一個(gè)信號(hào)源的場(chǎng)合，對(duì)信號(hào)源的精度幾乎不產(chǎn)生影響。

飛電容方式的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不再需要采樣保持電路，對(duì)于多路信號(hào)的同時(shí)采樣也非常容易實(shí)現(xiàn)。

飛電容方式的采樣速率受限于開(kāi)關(guān)的動(dòng)作頻率和信號(hào)回路的時(shí)間常數(shù)。在工程應(yīng)用中，采樣速率一般會(huì)在每秒幾K以下。這是限制飛電容方式應(yīng)用領(lǐng)域的主要因素。

五、工程應(yīng)用應(yīng)考慮的問(wèn)題

電容是信號(hào)傳遞的載體，選擇時(shí)應(yīng)注意三個(gè)環(huán)節(jié)：材質(zhì)和工藝、容量，耐壓。材質(zhì)和工藝關(guān)注的是電容溫度穩(wěn)定性、漏電流、等效串連電感等因素。容量的精度對(duì)信號(hào)的精度影響不大，但是容量的數(shù)量級(jí)對(duì)信號(hào)回路的時(shí)間常數(shù)影響很大，對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)時(shí)序也會(huì)產(chǎn)生間接影響。過(guò)小的電容容易引入信號(hào)的失真，而過(guò)大的容量則使整個(gè)系統(tǒng)的速度變慢。電容的耐壓一方面要考慮信號(hào)本身電壓上限，另外一方面，由于信號(hào)源一般要通過(guò)電纜傳輸?shù)绕渌�因素，耐壓�?yīng)該有一定的安全余量。我曾經(jīng)對(duì)4－20MA信號(hào)串連一個(gè)250歐姆的電阻，選用了耐壓50V容量4700p的無(wú)感滌綸電容。

開(kāi)關(guān)是飛電容的核心，應(yīng)該說(shuō)機(jī)械繼電器是不能采用的，主要是壽命因素。工程實(shí)踐中可以采用濕簧繼電器和PhotoMOS。濕簧繼電器采用水銀作為觸點(diǎn)，壽命很高，且觸點(diǎn)電阻相對(duì)較低，但是開(kāi)關(guān)速率相對(duì)不高，我測(cè)繪的那個(gè)美國(guó)產(chǎn)品就是采用濕簧繼電器。PhotoMOS屬于光隔離固體繼電器一類(lèi)的器件，體積小，開(kāi)關(guān)速度相對(duì)高一些，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻較大且離散。飛電容的信號(hào)輸出是不能直接進(jìn)入普通的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，一般要經(jīng)過(guò)一個(gè)高輸入阻抗的放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，特別是對(duì)于采用PhotoMOS開(kāi)關(guān)的情形，放大器的輸入阻抗至少要在數(shù)兆歐姆以上。

六、一個(gè)工程實(shí)例

前文提到對(duì)曾經(jīng)對(duì)一個(gè)老發(fā)電廠搞過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置，這個(gè)項(xiàng)目的背景情況是這樣，電廠有幾十個(gè)溫度和壓力儀表，輸出采用4－20MA方式。大部分儀表都接入閉環(huán)回路進(jìn)行控制。電廠希望搞一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在管理網(wǎng)絡(luò)上可以監(jiān)視這些溫度與壓力信號(hào)。要求新系統(tǒng)不能影響原有裝置的正常運(yùn)行，且不能增加新的傳感器，所以飛電容方式被采用作為信號(hào)隔離。

開(kāi)關(guān)采用松下的PhotoMOS: AQW214，內(nèi)部原理參見(jiàn)圖2，數(shù)據(jù)表可以從我的個(gè)人網(wǎng)站下載，URL地址為：http://www.psoc.cn/FileWarehouse/panasonic/aqw21_.pdf。

該部分的電路如下：

 

CTL1和CTL2來(lái)自微處理器的輸出經(jīng)三極管放大后，可以在AQW214的發(fā)光管上產(chǎn)生25MA的電流。由軟件來(lái)切換電容的充電和采樣兩個(gè)環(huán)節(jié)。

T1和T2兩個(gè)端子連接4-20MA輸入，經(jīng)250歐姆電阻轉(zhuǎn)換成1－5V信號(hào)。多個(gè)通道的VOUT信號(hào)直接并聯(lián)，經(jīng)電壓跟隨器緩沖后接入 A/D。這個(gè)設(shè)計(jì)是一個(gè)特例，因?yàn)樽钚⌒盘?hào)幅度已經(jīng)達(dá)到1V，而AQW214關(guān)斷時(shí)，最大漏電流為1uA，小信號(hào)時(shí)誤差會(huì)比較大，而對(duì)于本系統(tǒng)影響很小。建議高精度隔離電路采用濕簧繼電器。

輸入轉(zhuǎn)換電阻為1%的精度，但是，軟件對(duì)每個(gè)通道的都有一個(gè)單獨(dú)的補(bǔ)償系數(shù)，最終系統(tǒng)的全量程精度達(dá)到了0.2%。