用于PLC的精密信號(hào)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換IC實(shí)現(xiàn)更高的性能

可編程邏輯控制器 （PLC） 是一種基于計(jì)算機(jī)的緊湊型電子系統(tǒng)，它使用數(shù)字或模擬輸入/輸出模塊來(lái)控制機(jī)器、過(guò)程和其他控制模塊。PLC能夠接收（輸入）和傳輸（輸出）各種類型的電氣和電子信號(hào)，并使用它們來(lái)控制和監(jiān)視幾乎任何類型的機(jī)械和/或電氣系統(tǒng)。PLC 按提供的 I/O 功能數(shù)量進(jìn)行分類。例如，納米 PLC 包含少于 32 個(gè) I/O，微型 PLC 具有 32 到 128 個(gè) I/O，小型 PLC 具有 128 到 256 個(gè) I/O，依此類推。典型的PLC系統(tǒng)如圖1所示。

圖1.PLC系統(tǒng)架構(gòu)，顯示各種I/O模塊功能。

PLC系統(tǒng)包括輸入模塊、輸出模塊和輸入/輸出模塊。由于許多輸入和輸出涉及實(shí)際模擬變量（而控制器是數(shù)字的），因此PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)任務(wù)側(cè)重于對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的要求、輸入和輸出信號(hào)調(diào)理以及輸入和輸出模塊的電氣布線與控制器之間的隔離。

I/O模塊的分辨率通常在12位至16位之間，在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)精度為0.1%。模擬輸出電壓和電流范圍包括±5 V、±10 V 或 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V 以及 4 至 20 mA 或 0 至 20 mA。DAC的建立時(shí)間要求從10 μs到100 ms不等，具體取決于應(yīng)用。模擬輸入范圍可小至±10 mV（橋式傳感器）、大至±10 V（執(zhí)行器控制器）或4至20 mA電流（工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)）。轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于所需的精度和ADC架構(gòu)的選擇，從每秒10個(gè)樣本到每秒數(shù)百千個(gè)樣本不等。

數(shù)字隔離器（光耦合器或電磁隔離器）用于將系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的ADC、DAC和信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字側(cè)的控制器隔離開(kāi)來(lái)。如果系統(tǒng)還必須在模擬側(cè)完全隔離，則輸入或輸出的每個(gè)通道上都需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器，以最大限度地提高通道之間的隔離度，并且需要通過(guò)變壓器或ADI公司的isoPower隔離電源?科技。

iCMOS?過(guò)程

ADI公司用于PLC設(shè)計(jì)輸入和輸出部分的許多產(chǎn)品都受益于iCMOS，這是一種新型高性能制造工藝，將高壓硅與亞微米CMOS以及互補(bǔ)的雙極性技術(shù)相結(jié)合。

這種強(qiáng)大的組合允許單芯片設(shè)計(jì)將 5V CMOS 電路與更高電壓的 16、24 或 30V CMOS 電路混合搭配，多個(gè)電源為同一芯片供電。憑借這種組合組件和工作電壓的靈活性，亞微米iCMOS器件可以具有更高的性能、更集成的功能集和更低的功耗，并且需要比前幾代高壓產(chǎn)品更小的電路板面積。雙極性技術(shù)為 ADC、DAC 和低失調(diào)放大器提供精確的基準(zhǔn)電壓源、出色的匹配性和高穩(wěn)定性。

薄膜電阻器具有 12 位初始匹配、16 位修整匹配以及比傳統(tǒng)多晶硅電阻高 20 倍的溫度和電壓系數(shù)，是高精度、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的理想選擇。片內(nèi)薄膜保險(xiǎn)絲允許使用數(shù)字技術(shù)校準(zhǔn)高精度轉(zhuǎn)換器中的積分非線性度、失調(diào)和增益。

可編程控制器輸出模塊

PLC 系統(tǒng)模擬輸出（通常用于控制工業(yè)環(huán)境中的執(zhí)行器、閥門(mén)和電機(jī)）采用標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出范圍，例如 ±5 V、±10 V、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、4 至 20 mA 或 0 至 20 mA。模擬輸出信號(hào)鏈通常包括數(shù)字隔離，用于將控制器的數(shù)字輸出與DAC隔離和模擬信號(hào)調(diào)理。數(shù)字隔離系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器主要使用3線或4線串行接口，以最大限度地減少所需的數(shù)字隔離器或光耦合器數(shù)量。

PLC系統(tǒng)模擬輸出模塊通常使用兩種架構(gòu)：每通道DAC和每通道采樣保持。第一種在每個(gè)通道中使用專用DAC來(lái)產(chǎn)生其模擬控制電壓或電流。各種可用的多個(gè)DAC以較低的每通道成本提供經(jīng)濟(jì)的空間，但需要通道間隔離的通道通常采用單通道DAC。圖2顯示了每通道DAC的典型配置。最簡(jiǎn)單的DAC是低壓?jiǎn)坞娫搭愋?，采?.5 V至5.5 V電源供電，輸出范圍為0 V至V裁判.它們的輸出信號(hào)可以調(diào)節(jié)以產(chǎn)生任何所需的電壓或電流范圍。需要雙電源的雙極性輸出轉(zhuǎn)換器可用于必須提供雙極性輸出電壓范圍的輸出模塊。

圖2.每通道DAC架構(gòu)。

表1顯示了適合實(shí)現(xiàn)PLC輸出模塊的16位多通道D/A轉(zhuǎn)換器。這些產(chǎn)品提供雙極性或單極性輸出范圍，建立時(shí)間為10 μs。這些系列的其他成員提供 12 位和 14 位分辨率，與 16 位版本引腳兼容，允許從 12 位直接升級(jí)到 16 位，無(wú)需更改硬件和最少的軟件更改。這些器件大多包括片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，從而提供完全集成的輸出解決方案。

四通道D/A轉(zhuǎn)換器非常適合非隔離式多通道輸出設(shè)計(jì)，其中使用外部信號(hào)調(diào)理電路可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)四種不同的輸出配置。例如，圖3顯示了5664位四通道電壓輸出DACAD16R如何提供其指定的0 V至5 V輸出范圍，或者如何利用外部四通道運(yùn)算放大器連接各種標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓范圍或灌電流輸出。在雙極性輸出配置中，其內(nèi)部基準(zhǔn)的外部輸出提供必要的跟蹤失調(diào)電壓。AD5664R采用5 V單電源供電，內(nèi)置2.5 V、5 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源，采用微型3 mm×3 mm LFCSP封裝。

圖3.使用多通道 D/A 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) ±5V、±10V、0V 至 10V、0V 至 5V 和吸電流輸出。

圖4所示為隔離式4至20 mA電流環(huán)路控制電路中的單通道轉(zhuǎn)換器。AD5662采用SOT-23封裝，非常適合需要模擬輸出通道之間完全隔離的應(yīng)用。

圖4.4至20mA電流控制電路。

AD5662的最大輸出電壓范圍為5 V，由基準(zhǔn)電壓源ADR02提供，基準(zhǔn)電壓源從可變環(huán)路電壓獲得精確的穩(wěn)壓電源。5V DAC輸出范圍通過(guò)運(yùn)算放大器和晶體管電路轉(zhuǎn)換為4至20mA電流輸出。由于運(yùn)算放大器（N1）的同相輸入是虛擬地，因此運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)電流，我S，以保持相等的壓降RS和R3因此

N2處的電流總和提供環(huán)路電流，

對(duì) N1 處的電流求和：

環(huán)路電流的4 mA失調(diào)分量由基準(zhǔn)電壓源提供：

環(huán)路電流的可編程0至16mA分量由DAC提供：

每通道采樣保持

另一種架構(gòu)使用開(kāi)關(guān)電容和緩沖器作為采樣保持放大器（SHA），以存儲(chǔ)來(lái)自單個(gè)高性能DAC的選定輸出樣本，如圖5所示。使用模擬多路復(fù)用器在各種電容器之間切換樣品。由于系統(tǒng)的保持精度由電容器的下降速率決定，因此通道會(huì)頻繁刷新以保持所需的精度。根據(jù)輸出要求，DAC可以是低壓?jiǎn)坞娫崔D(zhuǎn)換器或雙極性輸出轉(zhuǎn)換器。緩沖器可提供信號(hào)調(diào)理，為電容器提供高輸入阻抗，并為驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載提供低輸出阻抗。

圖5.單DAC架構(gòu)。

表2顯示了一系列單通道、16位D/A轉(zhuǎn)換器，滿量程建立時(shí)間為4 μs至10 μs。它們非常適合采樣保持輸出架構(gòu)，采用小尺寸表面貼裝封裝。

開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器

對(duì)于需要低毛刺和低電荷注入的低電容開(kāi)關(guān)的采樣保持和其他數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，基于iCMOS設(shè)計(jì)的ADG12xx/ADG13xx系列±15 V開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器非常有用。

對(duì)于需要極低導(dǎo)通電阻的其他應(yīng)用，ADG1408和ADG1409±15 V多路復(fù)用器在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)提供最大9 V電壓。除了具有低 R上，其出色的導(dǎo)通電阻平坦度（帶電壓電平）使其成為低失真對(duì)于可靠、可預(yù)測(cè)的電路性能至關(guān)重要的應(yīng)用的理想解決方案。

表3列出了電容、電荷注入和R上用于選擇 iCMOS 開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器。它們與流行的早期類型ADG508/ADG509進(jìn)行了比較。

電源和數(shù)字信號(hào)的電氣隔離

在PLC、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)從各種傳感器傳輸?shù)街醒肟刂破鬟M(jìn)行處理和分析。為了在用戶界面上保持安全電壓，并防止瞬變從電源傳輸，需要電氣隔離。最常用的隔離器件是光耦合器、基于變壓器的隔離器和容性耦合隔離器。

流行的光耦合器包含發(fā)光二極管（LED）和光電探測(cè)器（將光轉(zhuǎn)換回電信號(hào)）。一般來(lái)說(shuō)，它們的LED的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低，而光電探測(cè)器的特點(diǎn)是響應(yīng)慢;總體而言，光耦合器的壽命往往有限，而且性能隨溫度、速度和功耗變化過(guò)大。它們通常僅限于單通道或雙通道配置，并且需要外部組件來(lái)配置完整的功能。

ADI公司開(kāi)發(fā)了一種新的隔離方法，將芯片級(jí)變壓器技術(shù)與集成CMOS輸入和輸出相結(jié)合。這些i耦合器器件易于使用，與光耦合器相比，具有更小的尺寸、更低的成本和更低的功耗要求。i耦合器提供多種通道配置和性能水平，具有標(biāo)準(zhǔn)CMOS接口，無(wú)需外部元件，并在溫度、電源電壓和使用壽命內(nèi)提供高性能和穩(wěn)定性。典型的i耦合器隔離IC，ADuM2400四通道隔離器及其接口和耦合變壓器，如圖6所示。?

圖6.ADuM2400四通道隔離器框圖

我耦合器的數(shù)據(jù)速率和時(shí)序規(guī)格比常用的高速光耦合器快 1 到 50 倍，其工作功耗僅為光耦合器的 4/<>，散熱也相應(yīng)更少，可靠性更高，成本更低。表 <> 顯示了可用的通道配置選項(xiàng)。

在完全隔離的系統(tǒng)中，從系統(tǒng)側(cè)到現(xiàn)場(chǎng)側(cè)提供隔離電源是另一個(gè)新興解決方案的挑戰(zhàn)。用于跨越隔離柵傳輸功率的傳統(tǒng)技術(shù)包括單獨(dú)的、相對(duì)大、昂貴的DC-DC轉(zhuǎn)換器，或者難以設(shè)計(jì)和接口的分立組件。目前可提供高達(dá)50 mW功率的更新、更好的方法是使用完整的、完全集成的隔離解決方案，包括使用微變壓器跨越隔離柵進(jìn)行信號(hào)和功率傳輸。ADuM524x isoPower系列產(chǎn)品可在單個(gè)元件內(nèi)為信號(hào)和電源提供高達(dá)5 kV的隔離，無(wú)需單獨(dú)的隔離電源，并顯著降低了隔離系統(tǒng)總成本、電路板面積要求和設(shè)計(jì)時(shí)間。典型器件如圖7所示。所有產(chǎn)品均已獲得UL，CSA和VDE安全認(rèn)證。

圖7.集成DC-DC轉(zhuǎn)換器（5242/0通道方向性）的雙通道隔離器

ADuM2

框圖。

PLC 輸入模塊

PLC系統(tǒng)的架構(gòu)和輸入模塊產(chǎn)品的選擇取決于需要監(jiān)控的輸入信號(hào)電平。來(lái)自要監(jiān)控的各種類型的傳感器和過(guò)程控制變量的信號(hào)可能涉及±10 mV至±10 V的輸入信號(hào)范圍。下表列出了一些源及其典型的輸入范圍要求。

模擬量輸入模塊低電平信號(hào)范圍

各種 A/D 轉(zhuǎn)換器類型可用于工業(yè)和 PLC 應(yīng)用，包括逐次逼近 （SAR）、閃存/并行、積分（包括 Σ-Δ）和斜坡/計(jì)數(shù)。為特定應(yīng)用選擇ADC主要取決于輸入傳感器所需的輸入信號(hào)范圍，以及所需的精度、信號(hào)頻率成分、最大信號(hào)電平和動(dòng)態(tài)范圍。使用最廣泛的架構(gòu)是逐次逼近和Σ-Δ。

逐次逼近型ADC提供12位至18位的高吞吐速率分辨率;它們非常適合多通道多路復(fù)用應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，需要以合理的高采樣速率監(jiān)控多個(gè)輸入通道。

Σ-Δ 架構(gòu)提供 16 位至 24 位的分辨率。它們采用高過(guò)采樣率和數(shù)字濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率和精度，但吞吐率低于SAR類型。Σ-Δ架構(gòu)通常在前端集成可編程增益放大器（PGA）;在每通道轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，這允許傳感器和ADC之間直接接口，無(wú)需信號(hào)調(diào)理。

測(cè)量來(lái)自熱電偶、應(yīng)變計(jì)和橋式壓力傳感器的低電平信號(hào)時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵要求是能夠執(zhí)行差分測(cè)量以抑制共模干擾，并在存在噪聲的情況下提供更穩(wěn)定的讀數(shù)。例如，在工業(yè)應(yīng)用中，差分輸入用于消除共模噪聲或來(lái)自電機(jī)、交流電源線或噪聲源的干擾，這些噪聲源將噪聲注入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。

單端輸入成本較低，對(duì)于相同數(shù)量的輸入引腳，輸入通道數(shù)是其兩倍，因?yàn)樗鼈兠總€(gè)通道只需要一個(gè)模擬輸入，并且都以同一接地點(diǎn)為基準(zhǔn)。它們主要用于具有高信號(hào)電平、低噪聲和穩(wěn)定公共接地的應(yīng)用。

圖8顯示了隔離式PLC輸入模塊分立實(shí)現(xiàn)中可能包含的許多元件，包括激勵(lì)和輸入信號(hào)調(diào)理、用于處理大量輸入信號(hào)的故障保護(hù)多路復(fù)用器、可編程增益放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。其中許多功能以前由分立的IC和無(wú)源元件集合組裝而成，現(xiàn)在可在A/D轉(zhuǎn)換器和模擬前端IC中完全集成和表征。

圖8.典型離散 PLC 輸入模塊中體現(xiàn)的功能。

例如，帶有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的iCMOS PulSAR ADC的AD761x（16位）和AD763x（18位）系列提供可編程輸入電壓范圍（0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V和±10 V），允許設(shè)計(jì)人員即時(shí)更改輸入。對(duì)于這些器件，所有切換均通過(guò)內(nèi)部寄存器完成，從而消除了數(shù)據(jù)延遲并提高了通道切換速度。表5顯示了一系列非常適合PLC應(yīng)用的16位/18位PulSAR ADC。?

另一個(gè)集成度更高的示例是AD7792 / AD7793 / AD7794 / AD7795 / AD7798 / AD7799系列Σ-Δ型ADC。除了超低噪聲（40 nV）和低功耗要求（400 μA）外，該系列還提供片內(nèi)PGA（增益范圍為1至128）、基準(zhǔn)電壓源、傳感器激勵(lì)電流源和時(shí)鐘等特性，采用小型TSSOP封裝。極低噪聲和低功耗的結(jié)合使這些器件非常適合需要高精度測(cè)量的應(yīng)用。

在許多應(yīng)用中，這些ADC可以直接連接到傳感器接口，包括PLC、溫度測(cè)量、電子秤、壓力和流量測(cè)量以及通用測(cè)量設(shè)備。其更新速率可在 4 Hz 至 500 Hz 范圍內(nèi)編程，并以選定的更新速率同時(shí)抑制 50 Hz 和 60 Hz 信號(hào)。表6顯示了AD779x系列轉(zhuǎn)換器的特性和功能。

圖9所示為使用AD7794/AD7795測(cè)量橋式傳感器和基于電阻的溫度傳感器輸入信號(hào)的典型配置。

圖9.使用AD7794/AD7795進(jìn)行低電平測(cè)量。

當(dāng)PLC和工業(yè)I/O中需要具有高達(dá)±10 V電壓輸入能力的高精度故障保護(hù)模擬測(cè)量，并且需要多通道的高吞吐量時(shí)，AD7732（兩個(gè)全差分輸入通道）、AD7734（四個(gè)單端輸入通道）和AD7738（四個(gè)全差分或八個(gè)單端輸入通道）是理想的選擇。

圖10顯示了使用AD7734測(cè)量PLC和過(guò)程控制應(yīng)用中常見(jiàn)的高電平信號(hào)的典型配置。模擬前端具有四個(gè)單端輸入通道，單極性或真雙極性輸入范圍可達(dá) ±10 V，同時(shí)采用 5V 單模擬電源供電?？梢越邮?±16.5 V 的模擬輸入過(guò)壓，而不會(huì)降低相鄰?fù)ǖ赖男阅?，并且該器件可以發(fā)出超范圍和欠范圍電壓的信號(hào)。

圖 10.使用AD7734采集高壓信號(hào)。

電壓基準(zhǔn)

穩(wěn)定、準(zhǔn)確、低噪聲的獨(dú)立基準(zhǔn)在某些 PLC 應(yīng)用中非常重要。表7列出了多種高性能基準(zhǔn)電壓源，從用于高端工業(yè)應(yīng)用的高精度、低噪聲IC到用于手持電池供電應(yīng)用的通用低功耗器件。

放大器（儀表和操作）

儀表放大器（儀表放大器）測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入電壓之間的差值（同時(shí)抑制兩個(gè)輸入共有的任何信號(hào)），施加固定或可編程增益，并提供單端輸出，由施加在參考端子的電壓偏置。由于共模抑制（CMR）不足會(huì)導(dǎo)致輸出端難以消除的大時(shí)變誤差，因此現(xiàn)代儀表放大器可提供80 dB至120 dB的直流和低頻CMR。儀表放大器在數(shù)據(jù)采集、PLC 和工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用中從傳感器和其他信號(hào)源中提取小信號(hào)方面發(fā)揮著重要作用。與所有直流放大器一樣，儀表放大器必須具有低直流失調(diào)電壓和漂移。

AD8220是一款高度通用的儀表放大器，可用于各種應(yīng)用，例如傳感器（如應(yīng)變計(jì)）和ADC之間的信號(hào)調(diào)理、醫(yī)療應(yīng)用中的可編程邏輯控制器、數(shù)據(jù)采集卡和模擬I/O卡。它提供 1 至 1000 的電阻可編程增益，具有 80dB CMR、1mV 失調(diào)和 10μV/°C 漂移。

運(yùn)算放大器是模擬電路的“主力軍”，ADI公司提供當(dāng)今市場(chǎng)上最大的運(yùn)算放大器系列之一。創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)合最近的IC工藝發(fā)展，如高壓i CMOS和高性能iPolar ?，使得為工業(yè)市場(chǎng)推出性能顯著提高、功能更豐富的器件成為可能，其電路板空間僅為舊工藝幾何形狀的四分之一。表 8 和表 9 分別概述了 PLC 應(yīng)用中常用的單通道和多通道放大器產(chǎn)品。它們可輕松處理支持 ±10V 輸出范圍通常需要的高電源電壓，并且具有低失調(diào)電壓和低電源電流的特點(diǎn)，并且采用小型封裝。

結(jié)論

PLC的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員繼續(xù)推動(dòng)更高的性能和功能，預(yù)算不斷減少，電路板面積不斷縮小。為了提供能夠滿足這些嚴(yán)格要求的集成電路，并競(jìng)爭(zhēng)信號(hào)鏈中所有重要的插座，ADI公司開(kāi)發(fā)了重要的新制造工藝。iCMOS工藝技術(shù)將高壓硅與亞微米CMOS和互補(bǔ)的雙極性技術(shù)相結(jié)合，使模擬IC能夠以更小的尺寸、更高的性能和更低的成本實(shí)現(xiàn)30 V工作（許多工業(yè)應(yīng)用都需要）。我基于芯片級(jí)變壓器（而不是LED和光電二極管）的耦合器隔離技術(shù)可以與CMOS半導(dǎo)體功能集成，以實(shí)現(xiàn)低成本隔離。iPolar溝槽隔離工藝允許高達(dá)±18 V的電源電壓，與傳統(tǒng)的雙極性放大器相比，性能顯著提高，同時(shí)將功耗降低一半，封裝尺寸降低多達(dá)75%。這些技術(shù)很好地滿足了當(dāng)前的需求，并面臨著輝煌的未來(lái)。

審核編輯：郭婷