完整的傳感器到位解決方案簡(jiǎn)化了工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為許多工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制系統(tǒng)的核心，可編程邏輯控制器（PLC）監(jiān)測(cè)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，測(cè)量和控制模擬過(guò)程變量，如壓力、溫度和流量。PLC 可用于各種應(yīng)用，例如工廠、煉油廠、醫(yī)療設(shè)備和航空航天系統(tǒng)，這些應(yīng)用需要高精度和穩(wěn)健的長(zhǎng)期運(yùn)行。此外，競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)要求更低的成本和更短的設(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)人員在滿足客戶嚴(yán)格的精度、噪聲、漂移、速度和安全要求方面面臨重大挑戰(zhàn)。本文以PLC為例，展示了多功能、低成本、高度集成的ADAS3022如何降低復(fù)雜性，通過(guò)取代模擬前端（AFE）級(jí)來(lái)解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的許多挑戰(zhàn)。這款高性能器件非常適合具有多個(gè)輸入范圍的精密工業(yè)、儀器儀表、電力線和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集卡，可降低成本并縮短上市時(shí)間，同時(shí)提供易于使用的小尺寸和真正的 16 位精度（1 MSPS）。

可編程控制器應(yīng)用示例

圖1顯示了用于工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制系統(tǒng)的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，模擬輸入模塊從位于極端溫度和濕度、振動(dòng)和爆炸性化學(xué)品的惡劣環(huán)境中的遠(yuǎn)程傳感器采集和監(jiān)控信號(hào)。典型信號(hào)包括5 V、10 V、±5 V和±10 V滿量程范圍的單端或差分電壓，或0 mA至20 mA、4 mA至20 mA和±20 mA范圍的電流環(huán)路。當(dāng)遇到具有大量電磁干擾（EMI）的長(zhǎng)電纜時(shí)，由于其固有的高抗噪性，通常使用電流環(huán)路。

模擬輸出模塊通?？刂茍?zhí)行器，如繼電器、電磁閥和閥門，以完成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它們通常提供5 V、10 V、±5 V和±10 V滿量程范圍以及4 mA至20 mA電流環(huán)路輸出的輸出電壓。

典型的模擬量 I/O 模塊包括 2、4、8 或 16 個(gè)通道。為了滿足嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些模塊需要防止過(guò)壓、過(guò)流和EMI浪涌。大多數(shù)PLC在ADC和CPU之間以及CPU和DAC之間包括數(shù)字隔離。高端PLC還可以采用國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通道間隔離。許多I/O模塊包括每通道軟件可編程單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐速率。

在現(xiàn)代PLC中，CPU以自動(dòng)化方式執(zhí)行許多控制任務(wù)，利用實(shí)時(shí)信息訪問(wèn)來(lái)做出智能決策。CPU可以體現(xiàn)先進(jìn)的軟件和算法，以及用于診斷錯(cuò)誤檢查和故障檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)連接。常用的通信接口包括 RS-232、RS-485、工業(yè)以太網(wǎng)、SPI 和 UART。

圖1.典型的 PLC 信號(hào)鏈。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的離散實(shí)現(xiàn)

工業(yè)設(shè)計(jì)人員可以使用分立的高性能組件為PLC或類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建模擬模塊，如圖2所示。關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素包括輸入信號(hào)配置以及整體系統(tǒng)速度、精度和精密度。此處介紹的信號(hào)鏈采用低漏電流多路復(fù)用器ADG1208/ADG1209、快速建立可編程增益儀表放大器AD8251、高速漏斗放大器AD8475、差分輸入18位PulSAR ADC和超低噪聲基準(zhǔn)電壓源 ADR4550。該解決方案提供四種不同的增益范圍，但由于最大輸入信號(hào)為±10 V，設(shè)計(jì)人員將不得不擔(dān)心多路復(fù)用器的開(kāi)關(guān)和建立時(shí)間以及其他模擬信號(hào)調(diào)理挑戰(zhàn)。此外，即使在使用這些高性能組件時(shí)，在1 MSPS下實(shí)現(xiàn)真正的16位性能也可能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。?

AD7982規(guī)定滿量程階躍的瞬態(tài)響應(yīng)為290 ns。因此，為了保證在1 MSPS下轉(zhuǎn)換時(shí)的指定性能，PGIA和漏斗放大器的建立時(shí)間必須小于710 ns。但是，AD8251規(guī)定10 V階躍的建立時(shí)間為785 ns至16位（0.001%），因此該信號(hào)鏈可保證的最大吞吐量將小于1 MSPS。

圖2.使用分立元件的模擬輸入信號(hào)鏈。

集成解決方案簡(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

IC采用專有

的高壓工業(yè)過(guò)程技術(shù)i CMOS制造，集成了8通道、低漏電多路復(fù)用器;具有高共模抑制的高阻抗PGIA;精密、低漂移 4.096V 基準(zhǔn)和緩沖器;以及一個(gè)16位逐次逼近型ADC，如圖3所示。?

圖3.ADAS3022的功能框圖。

這種完整的傳感器到位解決方案僅利用分立式方案三分之一的電路板空間，幫助工程師簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)減小先進(jìn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸、上市時(shí)間和成本。它消除了緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或以其他方式調(diào)理輸入信號(hào)的必要性，也無(wú)需擔(dān)心共模抑制、噪聲和建立時(shí)間，從而減輕了與設(shè)計(jì)精密16位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。如圖4所示，它在1 MSPS（典型SNR）下提供同類最佳的16位精度（±典型INL為0.6 LSB）、低失調(diào)電壓、低漂移過(guò)熱和優(yōu)化的噪聲性能（典型SNR為91 dB）。該器件的額定工作溫度范圍為 –40°C 至 +85°C 工業(yè)溫度范圍。

圖4.ADAS3022的INL和FFT性能。

PGIA 具有較大的共模輸入范圍、真正的高阻抗輸入 （>500 MΩ） 和寬動(dòng)態(tài)范圍，使其能夠適應(yīng) 4mA 至 20mA 電流環(huán)路，精確測(cè)量小傳感器信號(hào)，并抑制來(lái)自交流電源線、電動(dòng)機(jī)和其他來(lái)源的干擾（最小 CMR 為 90dB）。

輔助差分輸入通道可容納±4.096 V輸入信號(hào)。它繞過(guò)多路復(fù)用器和PGIA級(jí)，允許直接連接到16位SAR ADC。片上溫度傳感器可以監(jiān)控當(dāng)?shù)販囟取?/p>

這種高集成度可節(jié)省電路板空間并降低器件總成本，使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(guò)程控制、患者監(jiān)控以及其他以±10 V工業(yè)信號(hào)電平運(yùn)行的工業(yè)和儀器儀表系統(tǒng)。

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

圖5所示為完整的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1.8 V至5 V邏輯I/O電源供電。ADP1613 高效、低紋波 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器允許 DAS 采用 5V 單電源供電。采用ADIsimPower配置為單端初級(jí)電感?uk （SEPIC）拓?fù)?設(shè)計(jì)工具ADP1613提供多路復(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比較了ADAS3022和分立信號(hào)鏈的噪聲性能，表1使用每個(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）噪聲來(lái)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之間的單極點(diǎn)低通濾波器（LPF）（圖2）可衰減來(lái)自AD7982開(kāi)關(guān)電容輸入端的沖擊，并限制高頻噪聲量。–3dB 帶寬 （f–3分貝） 的 LPF 為 6.1 MHz （R = 20 Ω， C = 1.3 nF），允許在以 1 MSPS 進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)快速建立輸入信號(hào)。LPF的ENBW可以計(jì)算為：

ENBW = π/2 × f–3分貝= 9.6 兆赫。

請(qǐng)注意，此計(jì)算忽略了來(lái)自基準(zhǔn)電壓源和LPF的噪聲，因?yàn)樗粫?huì)顯著影響總噪聲，而總噪聲由PGIA主導(dǎo)。

考慮一個(gè)使用 ±5V 輸入范圍的示例。在這種情況下，AD8251的增益設(shè)置為2。漏斗放大器在所有四個(gè)輸入范圍內(nèi)均設(shè)置為0.4的固定增益，因此AD7982將施加0.5 V至4.5 V差分信號(hào)（4 V p-p）。ADG1208的RTI噪聲源自約翰遜/奈奎斯特噪聲方程2= 4KBTR上,

其中 KB = 1.38 × 1023J/K、T = 300K 和 RON = 270 Ω。

AD8251的RTI噪聲來(lái)自數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的27 nV/√Hz噪聲密度，增益為2。同樣，AD8475的RTI噪聲來(lái)自其10 nV/√Hz噪聲密度，增益為0.8 （2 × 0.4）。在每次計(jì)算中，ENBW = 9.6 MHz。AD7982的RTI噪聲是根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的95.5 dB SNR計(jì)算得出的，增益為0.8。整個(gè)信號(hào)鏈的總RTI噪聲是根據(jù)分立元件RTI噪聲的和方根（rss）計(jì)算得出的。89.5 dB 的總信噪比可通過(guò)公式 SNR = 20 log（V ） 計(jì)算得出在有效值/RTI總).

雖然理論噪聲估計(jì)（SNR）和分立信號(hào)鏈的整體性能與ADAS3022相當(dāng)，特別是在較低增益（G = 1和G = 2）和較低吞吐速率（遠(yuǎn)小于1 MSPS）的情況下，它并不是理想的解決方案。與分立式解決方案相比，ADAS3022可將成本降低約50%，電路板空間降低約67%，并且還可以接受分立式解決方案無(wú)法提供的三個(gè)額外輸入范圍（±0.64 V、±20.48 V和±24.576 V）。

結(jié)論

下一代工業(yè)PLC模塊將需要高精度、可靠的操作和功能靈活性，所有這些都在小型、低成本的外形中實(shí)現(xiàn)。ADAS3022具有業(yè)界領(lǐng)先的集成度和性能，支持各種電壓和電流輸入，可處理工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制中的各種傳感器。ADAS3022非常適合PLC模擬輸入模塊和其他數(shù)據(jù)采集卡，將使工業(yè)制造商能夠在滿足嚴(yán)格的用戶要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)差異化。

審核編輯：郭婷