可編程邏輯控制器(PLC)是很多工業(yè)自動(dòng)化和過程控制系統(tǒng)的核心，可監(jiān)控和控制復(fù)雜的系統(tǒng)變量。基于PLC的系統(tǒng)采用多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，可測(cè)量和控制模擬過程變量，例如壓力、溫度和流量。PLC廣泛應(yīng)用于眾多不同應(yīng)用，例如工廠、煉油廠、醫(yī)療設(shè)備和航空航天系統(tǒng)，它們需要很高的精度，還要保持穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間工作。此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)要求必須降低成本和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。因此，工業(yè)設(shè)備和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)人員在滿足客戶對(duì)精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴(yán)格要求方面遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文以PLC應(yīng)用為例，說明多功能、低成本的高度集成ADAS3022如何通過更換模擬前端(AFE)級(jí)，降低復(fù)雜性、解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的諸多難題。這種高性能器件具有多個(gè)輸入范圍，非常適合高精度工業(yè)、儀器、電力線和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用，可以降低成本和加快產(chǎn)品面市，同時(shí)占用空間很小，易于使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

 

PLC應(yīng)用示例

 

圖1顯示在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制系統(tǒng)中使用PLC的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈。PLC通常包括模擬和數(shù)字輸入/輸出(I/O)模塊、中央處理器(CPU)和電源管理電路。

 

在工業(yè)應(yīng)用中，模擬輸入模塊可獲取和監(jiān)控惡劣環(huán)境中的遠(yuǎn)程傳感器信號(hào)，例如存在極端溫度和濕度、振動(dòng)、爆炸化學(xué)物品的環(huán)境。典型信號(hào)包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿量程范圍的單端電壓或差分電壓，或者0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA范圍的環(huán)路電流。當(dāng)遇到具有嚴(yán)重電磁干擾(EMI)的長(zhǎng)電纜時(shí)，通常使用電流環(huán)路，因?yàn)樗鼈儽旧砭哂辛己玫目箶_度。

 

模擬輸出模塊通?？刂茍?zhí)行器，例如繼電器、電磁閥和閥門等，以形成完整自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它們通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿量程范圍的輸出電壓，以及4 mA至20 mA的環(huán)路電流輸出。

 

典型模擬I/O模塊包括2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)或16個(gè)通道。為滿足嚴(yán)格行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些模塊需要提供過壓、過流和EMI浪涌保護(hù)。大多數(shù)PLC包括ADC和CPU之間、CPU和DAC之間的數(shù)字隔離。高端PLC可能還有國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通道間隔離。很多I/O模塊可以對(duì)每通道的對(duì)單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率單獨(dú)進(jìn)行軟件編程。

 

在現(xiàn)代PLC中，CPU自動(dòng)執(zhí)行多個(gè)控制任務(wù)，利用實(shí)時(shí)信息訪問進(jìn)行智能決策。CPU可能包含高級(jí)軟件和算法以及Web連接，用于差錯(cuò)校驗(yàn)診斷和故障檢測(cè)。常用通信接口包括RS-232、RS-485、工業(yè)以太網(wǎng)、SPI和UART。

 

圖1. 典型PLC信號(hào)鏈。

 

分立式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案

 

工業(yè)設(shè)計(jì)人員可以使用分立式高性能組件，為PLC或類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建模擬模塊，如圖2所示。主要設(shè)計(jì)考慮因素包括輸入信號(hào)配置、整體系統(tǒng)速度、精度和精確性。此處所示的信號(hào)鏈采用 ADG1208/ADG1209 低泄漏多路復(fù)用器、 AD8251快速建立可編程增益儀表放大器(PGIA)、 AD8475高速漏斗放大器、AD7982差分輸入18位 PulSAR®ADC和 ADR4550超低噪聲基準(zhǔn)電壓源。這種解決方案提供四個(gè)不同增益范圍，但在±10 V的最大輸入信號(hào)的情況下，設(shè)計(jì)人員必然會(huì)擔(dān)心多路復(fù)用器的切換和建立時(shí)間，以及其他模擬信號(hào)調(diào)理問題。此外，在1 MSPS速率下實(shí)現(xiàn)真正的16位性能可能是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即便在使用這些高性能器件時(shí)也是如此。

 

AD7982具有滿量程階躍的290 ns瞬態(tài)響應(yīng)性能。因此，要在1 MSPS速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時(shí)保證指定性能，PGIA和漏斗放大器必須在710 ns時(shí)間內(nèi)建立。但是，AD8251針對(duì)10 V階躍達(dá)到16位轉(zhuǎn)換精度(0.001%)的建立時(shí)間為785ns，因此該信號(hào)鏈的保證最大吞吐率將小于1 MSPS。

 

圖2. 使用分立式元件的模擬輸入信號(hào)鏈。

 

集成式解決方案簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

16位1 MSPS ADAS3022數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IC采用專有高壓工業(yè)工藝技術(shù)iCMOS^®制造，集成8通道、低泄漏多路復(fù)用器；高阻抗PGIA （具有高共模抑制）；高精度低漂移4.096 V基準(zhǔn)電壓源和緩沖器；16位逐次逼近型ADC。如圖3所示。

 

圖3. ADAS3022功能框圖。

 

這個(gè)完整傳感器數(shù)據(jù)采集解決方案占用的電路板空間僅為分立方案的三分之一，有助于工程師簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)減小高級(jí)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時(shí)間，節(jié)省成本。它使得我們無(wú)需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或其他調(diào)理，也消除了我們對(duì)共模抑制、噪聲和建立時(shí)間的擔(dān)憂，還解決了與設(shè)計(jì)高精度16位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的諸多難題。它可在1 MSPS速率下（典型 SNR為91 dB）提供同類最佳的16位精度（典型INL為±0.6 LSB）、低失調(diào)電壓、低溫度漂移和優(yōu)化噪聲性能，如圖4所示。該器件的額定溫度范圍為–40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。

 

 

圖4. ADAS3022的INL和FFT性能。

 

PGIA具有很大的共模輸入范圍、真正的高阻抗輸入(>500 MΩ)和寬動(dòng)態(tài)范圍，這使得它能夠處理4 mA至20 mA的環(huán)路電流，精確測(cè)量小傳感器信號(hào)，抑制交流電力線、電機(jī)和其他來(lái)源的干擾（90 dB的最小CMR）。

 

輔助差分輸入通道可處理±4.096 V輸入信號(hào)。它旁路多路復(fù)用器和PGIA級(jí)，允許與16位SAR ADC直接接口。片內(nèi)溫度傳感器可以監(jiān)控本地溫度。

 

這種高集成度可以節(jié)省電路板空間，降低整體部件成本，使得ADAS3022非常適合空間受限的應(yīng)用，例如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、病人監(jiān)護(hù)以及其他工業(yè)和儀表系統(tǒng)，它們都采用±10 V的工業(yè)信號(hào)電平工作。

 

圖5. 采用集成PGA的完整5 V、單電源、8通道數(shù)據(jù)采集解決方案。

 

圖5顯示完整的8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。ADAS3022采用±15 V和+5 V模擬和數(shù)字電源，以及1.8V至5V邏輯I/O電源。高效率、低紋波DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器 ADP1613使得DAS能夠采用5 V單電源工作。ADP1613使用ADIsimPower™ 設(shè)計(jì)工具配置為單端初級(jí)原邊電感(SEPIC)拓?fù)?，提供多路?fù)用器和PGIA所需的±15 V雙極性電源，而不會(huì)影響性能。

 

表1對(duì)ADAS3022和分立信號(hào)鏈的噪聲性能進(jìn)行了比較，并利用每個(gè)元件的輸入信號(hào)幅度、增益、等效噪聲帶寬(ENBW)和折合到輸入端的(RTI)噪聲，計(jì)算整個(gè)信號(hào)鏈的總噪聲。

 

表1. ADAS3022和分立信號(hào)鏈的噪聲性能

 

AD8475和AD7982（圖2）之間的單極點(diǎn)低通濾波器(LPF)可以衰減來(lái)自AD7982的開關(guān)電容輸入的反沖，限制高頻噪聲量。LPF的–3 dB帶寬(f_–3dB) 為6.1 MHz（R = 20 Ω，C = 1.3 nF），在1 MSPS速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可快速建立輸入信號(hào)。LPF的ENBW計(jì)算方法為：

 

ENBW = π/2 × f_–3dB = 9.6 MHz.

 

請(qǐng)注意，此計(jì)算方法忽略了來(lái)自基準(zhǔn)電壓源和LPF的噪聲，因?yàn)樗粫?huì)對(duì)主要由PGIA決定的總噪聲產(chǎn)生很大影響。

 

以使用±5 V輸入范圍為例。在此情況下，AD8251的增益設(shè)置為2。漏斗放大器設(shè)置的固定增益為0.4，適用于所有四種輸入范圍。因此AD7982要處理0.5V至4.5V的差分信號(hào)(4 V p-p)。ADG1208的RTI噪聲從Johnson/Nyquist噪聲公式得出：en² = 4K_BTR_ON,

 

其中 KB = 1.38 × 10 ²³ J/K, T = 300K, 和 R_ON = 270 Ω.

 

AD8251的RTI噪聲由數(shù)據(jù)手冊(cè)中增益為2時(shí)的27 nV/√Hz噪聲密度得出。同樣，AD8475的RTI噪聲也由10 nV/√Hz噪聲密度得出，使用的增益為0.8 (2 × 0.4)。在這些計(jì)算中，ENBW = 9.6 MHz。AD7982的RTI噪聲則根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中增益為0.8時(shí)的95.5 dB SNR計(jì)算得到。整個(gè)信號(hào)鏈的總RTI噪聲根據(jù)分立元件的RTI噪聲的方和根(rss)計(jì)算。89.5 dB的總SNR可通過公式SNR = 20 log(V_INrms/RTI_Total)計(jì)算。

 

雖然分立信號(hào)鏈的理論噪聲估計(jì)值(SNR)和整體性能與ADAS3022相當(dāng)，特別是在低增益（G = 1和G = 2）和低吞吐率（遠(yuǎn)低于1 MSPS）條件下，但它并非理想解決方案。與分立式解決方案相比，ADAS3022可以節(jié)省大約50%的成本和大約67%的電路板空間，它還可以接收其他三個(gè)輸入范圍（±0.64 V、±20.48 V、±24.576 V），這是分立式解決方案無(wú)法提供的。

 

結(jié)論

 

下一代工業(yè)PLC模塊需要高精度、可靠運(yùn)行和功能靈活性，所有這些特性都必須通過外形小巧的低成本產(chǎn)品提供。ADAS3022具有業(yè)界領(lǐng)先的集成度和性能，支持廣泛的電壓和電流輸入，以便處理工業(yè)自動(dòng)化和過程控制的各種傳感器信號(hào)。ADAS3022是PLC模擬輸入模塊和其他數(shù)據(jù)采集卡的理想之選，它使得工業(yè)制造商能夠讓他們的系統(tǒng)具有與眾不同的特性，同時(shí)滿足更加嚴(yán)苛的用戶要求。

 

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參考電路

 

Kessler, Matthew. Synchronous Inverse SEPIC Topology Provides High Efficiency for Noninverting Buck/Boost Voltage Converters, Analog Dialogue, Vol. 44, No. 2, 2010.

 

Slattery, Colm, Derrick Hartmann, and Li Ke. PLC Evaluation Board Simplifies Design of Industrial Process Control Systems, Analog Dialogue, Vol. 43, No. 2, 2009.

 

Circuit Note CN0201. Complete 5 V, Single-Supply, 8-Channel Multiplexed Data Acquisition System with PGIA for Industrial Signal Levels.

 

MT-048 Tutorial. Op Amp Noise Relationships; 1/f Noise, RMS Noise, and Equivalent Noise Bandwidth.

 

 

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