摘要：工业自动化仪表的类型多样，不同仪表的核心需求差异显著 ——PLC 模拟量模块需 “多通道隔离与低噪声采集”，压力变送器需 “μV 级信号放大与抗干扰”，电磁流量计需 “低频励磁控制与微弱信号采集”，温度巡检仪需 “多通道热电偶信号调理与宽温稳定”。若套用统一

工业自动化仪表的类型多样，不同仪表的核心需求差异显著 ——PLC 模拟量模块需 “多通道隔离与低噪声采集”，压力变送器需 “μV 级信号放大与抗干扰”，电磁流量计需 “低频励磁控制与微弱信号采集”，温度巡检仪需 “多通道热电偶信号调理与宽温稳定”。若套用统一 PCB 设计方案，会导致仪表精度不足（如压力变送器用普通 PCB，信号噪声超 100μV）或成本浪费（如温度巡检仪用 PLC 模块的隔离设计）。

一、场景 1：PLC 模拟量输入模块 PCB 设计

核心需求：多通道隔离（8/16 通道，隔离电压≥2500V AC）、4-20mA/0-10V 信号采集（误差≤0.1%）、抗工业干扰（辐射抗扰度≥30V/m）、宽温工作（-20℃-70℃），符合 IEC 61131-2 标准。

1. 基材与材质选择

基材：FR-4 高 Tg 基材（Tg=170℃，介电常数温度系数≤15ppm/℃），PCB 厚度 1.6mm，平衡成本与稳定性；

铜箔：2oz 铜箔（70μm），增强电流承载与散热，模拟量布线阻抗≤10mΩ；

阻焊油墨：工业级抗 UV 阻焊油墨（太阳油墨 PSR-9000），耐温 - 40℃-120℃，防油污。

2. 关键设计参数

通道隔离设计：

隔离元件：每通道用独立隔离放大器 AD8475（隔离电压 2500V AC），通道间间距≥5mm，避免通道间串扰；

电源隔离：每 4 通道用 1 个隔离电源模块（RECOM R-78E5.0-0.5），输入输出隔离 1kV，防止电源噪声耦合；

信号采集链路：

ADC：选用 16 位高精度 ADC AD7799（线性误差≤±0.0015%），采样率 1kHz，参考电压用 REF5040（精度 ±0.1%）；

滤波电路：每个通道加 RC 低通滤波（R=1kΩ，C=10nF），滤除高频干扰，信号噪声≤5μV；

抗干扰设计：

屏蔽：模块整体加金属屏蔽腔（冷轧钢板，厚度 0.3mm，屏蔽效能≥40dB），接地阻抗≤0.1Ω；

接地：模拟地、数字地、功率地分区，单点连接，接地噪声≤10mV；

布线优化：

模拟量布线：4-20mA 信号布线宽 0.5mm，长度≤8cm，通道间平行长度≤1mm，串扰≤-60dB；

总线布线：SPI 通信（ADC 控制）布线阻抗 50Ω，与模拟量布线间距≥8mm。

3. 工艺与测试

工艺：PCB 表面涂丙烯酸酯涂层（厚度 30μm），防油污粉尘；隔离元件回流焊，焊点强化；

测试：通道间隔离电压 2500V AC（1 分钟无击穿），4-20mA 采集误差 0.08%，30V/m 辐射下误差变化≤0.02%。

二、场景 2：压力变送器 PCB 设计

核心需求：应变信号放大（μV 级，放大倍数 1000-5000 倍）、4-20mA 输出（误差≤0.2%）、电源隔离（隔离电压≥1500V AC）、耐振动（10-2000Hz，2m/s²），符合 GB/T 13983-2008 标准。

1. 基材与材质选择

基材：罗杰斯 RO4350B（介电常数温度系数≤3ppm/℃），PCB 厚度 1.2mm，低噪声、宽温稳定；

铜箔：1oz 铜箔（35μm），应变信号布线阻抗≤5mΩ；

元件：仪用放大器 AD8221（CMRR≥100dB，输入噪声≤3nV/√Hz），低噪声 LDO TPS7A4700（输出噪声≤1.5μVrms）。

2. 关键设计参数

应变信号放大：

放大链路：应变片→AD8221（放大倍数 2000）→低通滤波→DAC（AD5686，16 位）→4-20mA 输出；

屏蔽布线：应变信号布线用双绞 + 接地铜箔屏蔽，串扰≤-70dB，噪声≤8μV；

电源隔离：

隔离元件：用隔离放大器 ADUM1400（隔离电压 1500V AC）实现信号隔离，隔离电源用 TI 的 DCP0105（5V/1W，隔离 1kV）；

抗振动设计：

元件固定：应变片模块、隔离电源用螺丝固定，PCB 边缘加减震垫圈；

焊点：DAC、放大器焊盘面积加大 30%，焊锡厚度≥0.2mm。

三、场景 3：电磁流量计 PCB 设计

核心需求：低频励磁控制（0.1-1Hz，电流 0.5-2A）、微弱流量信号采集（nV 级）、抗强干扰（变频器辐射≥50V/m）、宽温（-20℃-60℃），符合 GB/T 18659-2019 标准。

1. 基材与材质选择

基材：聚酰亚胺（PI）基材（Tg=300℃，耐温 - 40℃-125℃），PCB 厚度 1.6mm，抗温变、低噪声；

铜箔：2oz 铜箔，励磁电流布线宽 2mm，承载 2A 电流，压降≤0.1V；

阻焊油墨：聚酰亚胺阻焊油墨，耐化学腐蚀，适合化工场景。

2. 关键设计参数

励磁控制回路：

驱动芯片：用 TI 的 DRV8801（输出电流 2A），励磁线圈布线宽 2mm，长度≤5cm，加 RC 吸收电路（R=10Ω，C=100nF）；

时序控制：MCU 用 STM32L4（工业级），励磁频率 0.5Hz，时序精度≤1μs；

信号采集回路：

放大电路：低噪声运放 AD8605（输入噪声≤1.8nV/√Hz），两级放大（总倍数 10000），噪声≤10nV；

滤波：加 2 阶低通滤波（截止频率 10Hz），滤除励磁噪声；

抗干扰设计：

屏蔽：励磁回路与信号回路加金属屏蔽隔板（厚度 0.5mm），屏蔽效能≥45dB；

接地：励磁地与信号地分开，单点连接，接地阻抗≤0.05Ω。

四、场景 4：温度巡检仪 PCB 设计

核心需求：多通道热电偶信号采集（8/16 通道，类型 K/J/T）、温度测量精度（±0.2℃）、宽温（-40℃-80℃）、RS485 通信（误码率≤10⁻⁶），符合 IEC 60751 标准。

1. 基材与材质选择

基材：FR-4 高 Tg 无卤素基材（Tg=170℃，耐温 - 40℃-125℃），PCB 厚度 1.6mm，防腐蚀；

铜箔：1oz 铜箔，热电偶信号布线宽 0.4mm，长度≤10cm，寄生电阻≤10mΩ；

元件：热电偶放大器 AD8495（针对 K 型热电偶，精度 ±0.5℃），16 位 ADC ADS1248（采样率 200SPS）。

2. 关键设计参数

热电偶信号调理：

冷端补偿：每通道用温度传感器 NTCG104ED104F（精度 ±0.1℃），补偿冷端温度误差；

放大：AD8495 放大热电偶信号（K 型热电偶输出 41μV/℃，放大后 1V/℃），误差≤0.1℃；

多通道切换：

模拟开关：用 ADG708（8 通道，导通电阻≤1Ω），通道切换时间≤1μs，无切换噪声；

通信与抗干扰：

RS485：用 MAX485（总线驱动），加 120Ω 终端电阻，通信速率 115200bps，误码率≤10⁻⁷；

防护：RS485 接口加 ESD 保护（ESDALC6V1-2）与 TVS 管（SMBJ6.5CA），抵御浪涌与静电。

工业自动化仪表 PCB 的场景化设计需 “以工业现场需求为核心”，在隔离、抗干扰、温变适应上差异化调整，平衡精度、成本与可靠性，才能适配不同工业仪表的控制需求，确保生产线稳定运行。

来源：臣通数字科技