如何利用ADAS3022優(yōu)化工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

可編程邏輯控制器（PLC）是許多工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)的核心，能夠?qū)?fù)雜的系統(tǒng)變量進行監(jiān)視和控制?；赑LC的系統(tǒng)使用多個傳感器和執(zhí)行器來測量和控制模擬過程變量，如壓力、溫度和流量。PLC廣泛應(yīng)用于工廠、煉油廠、醫(yī)療設(shè)備和航空航天等領(lǐng)域。它們需要高精度，還要保持穩(wěn)定的長時間工作。此外，激烈的市場競爭要求降低成本和縮短設(shè)計時間。因此，工業(yè)設(shè)備和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計人員在滿足用戶對精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴格要求方面面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

本文說明如何利用ADAS3022來替換模擬前端（AFE）級，從而降低復(fù)雜性，解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中遇到的諸多難題。這種高性能器件具有多個輸入范圍，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，同時占用空間很小，易于使用，在1MSPS速率下提供真正的16位精度。

圖1.典型PLC信號鏈

PLC應(yīng)用示例

圖1顯示在工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)中使用PLC的簡化信號鏈。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)境中的遠程傳感器信號，例如存在極端溫度和濕度、振動、爆炸化學(xué)物品的環(huán)境。典型信號包括具有5V、10V、±5V和±10V滿量程范圍的單端電壓或差分電壓，或者0mA至20mA、4mA至20mA、±20mA范圍的環(huán)路電流。當遇到具有嚴重電磁干擾（EMI）的長電纜時，通常使用電流環(huán)路，因為它們本身具有良好的抗擾度。

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

典型模擬I/O模塊包括2個、4個、8個或16個通道。為滿足嚴格行業(yè)標準，這些模塊需要提供過壓、過流和EMI浪涌保護。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可能還有國際電工委員會（IEC）標準規(guī)定的通道間隔離。很多I/O模塊包括每通道軟件可編程單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率。

在現(xiàn)代PLC中，CPU自動執(zhí)行多個控制任務(wù)，利用實時信息訪問進行智能決策。CPU可能包含高級軟件和算法以及Web連接，用于差錯校驗診斷和故障檢測。常用通信接口包括RS-232、RS-485、工業(yè)以太網(wǎng)、SPI和UART。

圖2所示電路是一款高度集成、16位、1MSPS、多路復(fù)用、8通道、靈活的數(shù)字采集系統(tǒng)（DAS），集成可編程增益儀表放大器（PGIA），能夠處理全范圍工業(yè)級信號。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，例如自動測試設(shè)備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動化、過程控制、病人監(jiān)護以及其他工業(yè)和儀表系統(tǒng)，它們都采用±10V的工業(yè)信號電平工作。

圖2.采用5V單電源的16位、1MSPS、8通道數(shù)據(jù)采集解決方案簡化原理圖

ADAS3022可經(jīng)配置用于測量最多八個單端輸入或四個差分對。七種雙極性輸入范圍可處理各種工業(yè)信號電平（±640mV至±24.576V），因此能夠直接與大部分傳感器接口相連。

+5V單電源為電路供電，高效率、低紋波升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生±15V電壓，可處理最高±24.576V的差分輸入信號（±2LSBINL最大值、±0.5LSBDNL典型值）。對于高精度應(yīng)用，這款緊湊、經(jīng)濟型電路可以提供高精度和低噪聲性能。經(jīng)低功耗運算放大器AD8031緩沖后的低噪聲基準電壓源ADR434提供基準電壓。

這個完整傳感器數(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，并降低了一半的成本，有助于工程師簡化設(shè)計，同時減小高級工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時間，節(jié)省成本。它使得我們無需對輸入信號進行緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或其他調(diào)理，也消除了我們對共模抑制、噪聲和建立時間的擔(dān)憂，還解決了與設(shè)計高精度16位1MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的諸多難題。

ADP1613配置為SEPIC轉(zhuǎn)換器

ADP1613用作單端初級原邊電感（SEPIC）Cuk轉(zhuǎn)換器，是ADAS3022在外部5V電源供電情況下，為其提供20mA時所需±15V高壓電源以及最大值為3mV的低輸出紋波的理想選擇。本應(yīng)用中，ADP1613的開關(guān)頻率為1.3MHz。如圖3所示，ADP1613盡可能地減少了外部元器件數(shù)目，并且具有超過86%的效率，因此它能滿足ADAS3022的規(guī)格要求。在該拓撲中使用低成本ADP1613的最大優(yōu)勢，是它在兩條供電軌之間的出色跟蹤能力，同時使用現(xiàn)成的耦合電感可產(chǎn)生±15V電壓。除此之外，還能通過ADIsimPower設(shè)計工具輕松快捷地完成設(shè)計制造。

圖3.ADP1613的效率（POUT/PIN）與輸出電流（IOUT）的關(guān)系

圖2所示電路采用ADP161xSEPIC-Cuk可下載設(shè)計工具中的下列輸入進行設(shè)計，ADIsimPower提供該設(shè)計工具。利用ADIsimPower設(shè)計工具可進行完全定制設(shè)計，并通過單個控制器的低成本SEPIC-Cuk拓撲快速創(chuàng)建穩(wěn)定的雙路供電軌。

測試設(shè)置的功能框圖如圖4所示。ADP1613評估板由外部+5V電源驅(qū)動，產(chǎn)生ADAS3022板所需的±15V電壓。7V直流壁式電源為EVAL-CED1Z板供電。EVAL-CED1Z板上的穩(wěn)壓器提供ADAS3022板所需的5V電源。運行交流測試時，采用AudioPrecisionSYS-2702產(chǎn)生低失真輸入信號。

圖4.測試設(shè)置功能框圖

結(jié)論

下一代工業(yè)PLC模塊要求精度高、運行可靠、功能靈活，所有這些都必須由小型和低成本的產(chǎn)品提供。ADAS3022具有較好的集成度和性能，支持廣泛的電壓和電流輸入，以便處理工業(yè)自動化和過程控制的各種傳感器信號。