集成式數(shù)字IO和模擬IO產(chǎn)品系列介紹

利用軟件可配置數(shù)字和模擬IO解決方案，自動(dòng)化工程師和技術(shù)人員可以輕松地遠(yuǎn)程調(diào)試通用IO端口。這類新型軟件不僅簡化了工廠的布線工作，還可靈活地將多種可選的數(shù)字或模擬IO傳感器或執(zhí)行器物理連接至任何未分配的IO端口。此項(xiàng)軟件可配置技術(shù)可提高工廠內(nèi)的通道密度，因而更具成本效益。

數(shù)字IO

模擬IO

可配置IO

配套IC產(chǎn)品

ADI特別推出《工業(yè)IO手冊(第一版)》，將主要針對以上四個(gè)方面進(jìn)行全面介紹。這些產(chǎn)品具有出色的穩(wěn)定性和先進(jìn)的診斷功能。此外本手冊還介紹了許多可作為模板的參考設(shè)計(jì)，提供滿足您需求的解決方案，并幫助您迅速將產(chǎn)品推向市場。

01數(shù)字IO

面向自動(dòng)化工業(yè)控制器的數(shù)字輸入(DI)和數(shù)字輸出(DO)模塊設(shè)計(jì)一直以來都采用分立器件。工業(yè)4.0是工廠運(yùn)行方式的下一次革命，將不僅需要云控制，還需要更快速的吞吐速率，以充分提高效率和利潤。

隨著對更多診斷功能的需求不斷增長，以增加正常運(yùn)行時(shí)間，所有這些功能都需要整合在尺寸更小、功耗更低的封裝內(nèi)，未來面臨的挑戰(zhàn)變得越來越清晰。第一步就是設(shè)計(jì)人員需要了解市場上可用的集成器件，這樣DI和DO模塊才能最終實(shí)現(xiàn)其性能潛力。本部分介紹了現(xiàn)有的集成式數(shù)字IO產(chǎn)品系列，并展示了與傳統(tǒng)數(shù)字IO設(shè)計(jì)方法相比，這些產(chǎn)品將如何更好地應(yīng)對工業(yè)4.0 需求挑戰(zhàn)。

單通道集成式數(shù)字輸入

分立電路的替代方法就是使用單通道集成解決方案，比如 MAX22191。下圖為應(yīng)用電路，其中MAX22191具有寄生電源，為芯片自身、光隔離器以及用于顯示狀態(tài)信息的外部LED供電，因此是可用的較低功耗數(shù)字輸入解決方案。

MAX22191灌電流電路與狀態(tài)/指示燈LED

多通道數(shù)字輸入

雖然單通道集成IC是對分立方案的改進(jìn)，但實(shí)現(xiàn)8、16、32 或64 DI通道需要更高的集成度，這在新型IO模型中比較常見。然而，多通道DI 芯片也帶來了自身挑戰(zhàn)：

通道數(shù)量的增加要求設(shè)計(jì)人員思考如何將通道連接至控制器，是并行還是串行?盡管串行數(shù)據(jù)流意味著需要隔離的引腳較少，但它也 意味著隔離器必須在適合的數(shù)據(jù)速率也可以正常工作。它必須具有可擴(kuò)展性，并且需要進(jìn)行某種形式的誤差檢測，以驗(yàn)證與控制器通信期間數(shù)據(jù)流的完整性。

另一方面，并行數(shù)據(jù)流可能看起來較簡單，但它需要更大的隔離IC，以滿足多數(shù)據(jù)通道需求。MAX22195 可將8個(gè)24V工業(yè)數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為8個(gè)CMOS兼容的并行輸出，且所有通道上的輸入至輸出傳輸延遲低于300ns。

MAX22195 8通道數(shù)字輸入，帶并行接口

數(shù)字輸入/數(shù)字輸出/可配置數(shù)字IO/數(shù)字隔離器匯總

下表1匯總了Maxim數(shù)字輸入產(chǎn)品系列的主要特性：

表1.數(shù)字輸入IC匯總

表2中匯總了Maxim的數(shù)字輸出IC產(chǎn)品系列：

表2. 數(shù)字輸出IC匯總

表3中匯總了Maxim的可配置數(shù)字IO系列：

表3 可配置數(shù)字IO IC匯總

表4中匯總了Maxim的數(shù)字隔離器的關(guān)鍵規(guī)格：

表4. DIO兼容隔離器匯總

02模擬IO

本部分介紹了現(xiàn)有的集成式模擬IO產(chǎn)品系列，并展示了從模擬輸入、模擬輸出到可配置模擬IO等一系列內(nèi)容。

模擬輸入

模擬輸入(AI)用于監(jiān)控進(jìn)行持續(xù)測量的儀器儀表狀態(tài)，例如：容器中流體的體積或壓力、電機(jī)速度、流量和接近測量。因?yàn)檫@些信號通常需要在電噪聲環(huán)境下長距離傳輸，所以我們通常使用電流而不是電壓。

由于歷史原因，使用的電流范圍為4-20mA?？墒褂?a target="_blank">高精度外部電阻將電流轉(zhuǎn)換為所需的輸入電壓范圍。用于溫度測量的RTD和熱電偶會生成不同的電流和電壓。高精度、低誤差的信號轉(zhuǎn)換是AI的關(guān)鍵性能參數(shù)。

MAX22005 是一款12通道工業(yè)級模擬輸入電壓模式器件，通過在每個(gè)通道上使用單個(gè)外部精密電阻也可將其配置為模擬輸入電流模式器件。

MAX22005 12通道可配置工業(yè)模擬輸入

模擬輸出

模擬輸出用于提供連續(xù)電壓或電流(4-20mA)信號，以實(shí)現(xiàn)車間執(zhí)行器(例如：在閥門上用于控制流體流動(dòng))、變速電機(jī)和溫度控制器的精密控制。這些器件的關(guān)鍵規(guī)格包括高精密DAC、分辨率范圍和惡劣環(huán)境下的可靠性能。

MAX22007 是一款工廠校準(zhǔn)的可軟件配置4通道模擬輸出，能夠在每個(gè)通道上提供電壓或電流輸出。

使用MAX22007的兩線制應(yīng)用電路

可配置模擬IO IC/隔離式ADC匯總

下表5匯總了了Maxim模擬IO IC產(chǎn)品系列的主要特性：

表5.模擬IO IC匯總

表6中匯總了的隔離式ADC IC的關(guān)鍵規(guī)格：

表6. 隔離式ADC IC匯總

03工業(yè)IO設(shè)計(jì)資源

該部分主要介紹了面向大電流感性負(fù)載的數(shù)字輸出模塊設(shè)計(jì)、瞬變抗擾度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議、工業(yè)IO評估板和外設(shè)模塊、參考設(shè)計(jì)、工業(yè)IO設(shè)計(jì)資源匯總、工業(yè)IO資源，幫助您和您的企業(yè)更好地完成相關(guān)設(shè)計(jì)。

面向大電流感性負(fù)載的數(shù)字輸出模塊設(shè)計(jì)

面對電感反沖電壓(浪涌)，在實(shí)際電路中，對感性負(fù)載進(jìn)行放電的最常見解決方案就是使用續(xù)流二極管。在本電路中，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，二極管被反向偏置且不導(dǎo)電。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，通過電感的負(fù)電源電壓會使二極管正向偏置，從而通過引導(dǎo)電流通過二極管的方式使存儲能量衰減，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且電流為零。另一種解決方案就是使用齊納二極管，管可提供更快的電流斜坡下降，而不是 數(shù)級衰減。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電流通過通用二極管和齊納二極管路徑分流。這可使電壓等于齊納電壓(加上二極管正向壓降)，直至電感能量耗散。

加快電流衰減的兩種方案

使用MOSFET的有源箝位

對于工業(yè)應(yīng)用，“開關(guān)”通常為MOSFET。當(dāng)MOSFET關(guān)閉，同時(shí)切換電感負(fù)載時(shí)(如果沒有可用保護(hù))，則通過漏極和源極的電壓(VDS)會增加，直至MOSFET出現(xiàn)故障。現(xiàn)代高端開關(guān)經(jīng)常會使用一種稱為有源箝位的技術(shù),這種技術(shù)會在切換感性負(fù)載時(shí)限制VDS，以保護(hù)MOSFET。

集成有源鉗位的高端開關(guān)(MOSFET)

但每個(gè)開關(guān)都有可支持的最大感性負(fù)載和負(fù)載電流;否則，MOSFET在有源箝位模式下會出現(xiàn)散熱問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)負(fù)責(zé)確保開關(guān)(MOSFET)能夠處理關(guān)閉模式下消耗的更高功率。否則，結(jié)溫升高會產(chǎn)生應(yīng)力，并可能損壞開關(guān)設(shè)備。為解決該問題，MAX14912/MAX14913 8通道高速開關(guān)會采用一種名為安全退磁(SafeDemag)的新架構(gòu)。可與快速退磁電路一起使用，并允許MAX14912/MAX14913在電感不受限的情況下安全地關(guān)閉負(fù)載。

按退磁功能列出的DO產(chǎn)品匯總

瞬變抗擾度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議

在惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運(yùn)行需要使用數(shù)字輸入IC。Maxim專有的工藝技術(shù)結(jié)合了內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)與較高的絕對最大額定值，可確保輸入通道和現(xiàn)場電源引腳的出色可靠性，但需要使用外部器件來吸收ESD和浪涌瞬變的過多能量。

MAX22199EVKIT#評估板

建議的瞬變抗擾度保護(hù)器件

參考設(shè)計(jì)

為了模擬我們工業(yè)IO IC的實(shí)際應(yīng)用，我們創(chuàng)建了各種參考設(shè)計(jì)。它們尚未獲得現(xiàn)場使用的認(rèn)證，但可利用它們迅速為實(shí)際設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，以便日后由OEM進(jìn)行認(rèn)證。

MAXREFDES1165 32通道IO模塊系統(tǒng)框圖

MAXREFDES176#系統(tǒng)框圖

MAXREFDES177#通用模擬IO

MAXREFDES183#系統(tǒng)框圖

原文標(biāo)題：助力打造未來工廠邊緣智能典范，ADI《工業(yè)IO手冊》正式發(fā)布!

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審核編輯：湯梓紅