PLC評(píng)估板簡(jiǎn)化工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：Colm Slattery, Derrick Hartmann, and Li Ke

工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用多種多樣，從簡(jiǎn)單的交通控制到復(fù)雜的電網(wǎng)，從環(huán)境控制系統(tǒng)到煉油廠過(guò)程控制。這些自動(dòng)化系統(tǒng)的智能在于其測(cè)量和控制單元。用于控制機(jī)器和過(guò)程的兩種最常見(jiàn)的基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，處理各種模擬和數(shù)字輸入和輸出，是可編程邏輯控制器1（PLC） 和分布式控制系統(tǒng)2（DCS）。這些系統(tǒng)包括電源、中央處理器單元 （CPU） 以及各種模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出模塊。

標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議已經(jīng)存在多年;模擬變量的范圍以4 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V和±10 V為主。關(guān)于下一代系統(tǒng)的無(wú)線解決方案已經(jīng)有很多討論，但設(shè)計(jì)人員仍然聲稱4 mA至20 mA通信和控制環(huán)路將繼續(xù)使用多年。下一代這些系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)將包括更高的性能、更小的尺寸、更好的系統(tǒng)診斷、更高水平的保護(hù)和更低的成本——所有這些因素都將幫助制造商將他們的設(shè)備與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的設(shè)備區(qū)分開(kāi)來(lái)。

我們將討論過(guò)程控制系統(tǒng)及其包含的模擬輸入/輸出模塊的關(guān)鍵性能要求，并將介紹一個(gè)工業(yè)過(guò)程控制評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用最新的集成電路技術(shù)集成了這些構(gòu)建模塊。我們 還 研究 了 設(shè)計(jì) 一個(gè) 能夠 承受 工業(yè) 環(huán)境 中 的 電氣 快速 瞬 變 （EFT）、 靜電 放電 （ESD） 和 電壓 浪涌 的 強(qiáng)大 系統(tǒng) 所 的 挑戰(zhàn)， 并 提供 測(cè)試 數(shù)據(jù) 來(lái) 驗(yàn)證 設(shè)計(jì) 的 魯棒 性。

PLC 概述及應(yīng)用示例

圖1顯示了一個(gè)基本的過(guò)程控制系統(tǒng)構(gòu)建模塊。過(guò)程變量，如流速或氣體濃度，通過(guò)輸入模塊進(jìn)行監(jiān)控。信息由中央控制單元處理;輸出模塊采取一些操作，例如驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。

圖1.典型的頂級(jí)PLC系統(tǒng)。

圖2顯示了這種類(lèi)型的典型工業(yè)子系統(tǒng)。在這里，CO2氣體傳感器確定保護(hù)區(qū)內(nèi)積聚的氣體濃度，并將信息傳輸?shù)街醒肟刂泣c(diǎn)?？刂茊卧梢粋€(gè)模擬輸入模塊組成，用于調(diào)節(jié)來(lái)自傳感器的 4 mA 至 20 mA 信號(hào)、一個(gè)中央處理單元和一個(gè)用于控制所需系統(tǒng)變量的模擬輸出模塊。電流環(huán)路可以處理大容性負(fù)載——通常出現(xiàn)在一些工業(yè)系統(tǒng)中數(shù)百米長(zhǎng)的通信路徑上。代表氣體濃度水平的傳感器元件的輸出被轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4 mA至20 mA信號(hào)，通過(guò)電流環(huán)路傳輸。這個(gè)簡(jiǎn)化的示例顯示了連接到單通道輸入模塊的4 mA至20 mA傳感器輸出和0 V至10 V單輸出。實(shí)際上，大多數(shù)模塊具有多個(gè)通道和可配置范圍。

輸入/輸出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%。橋式傳感器的輸入范圍可小至 ±10 mV，執(zhí)行器控制器的輸入范圍可小至 ±10 V，過(guò)程控制系統(tǒng)的電流范圍為 4 mA 至 20 mA。模擬輸出電壓和電流范圍通常包括±5 V、±10 V、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、4 mA 至 20 mA 和 0 mA 至 20 mA。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的建立時(shí)間要求從10 μs到10 ms不等，具體取決于應(yīng)用和電路負(fù)載。

圖2.氣體傳感器。

映射4 mA至20 mA范圍以表示正常的氣體檢測(cè)范圍;超出此范圍的電流值可用于提供故障診斷信息，如表1所示。

表 1.分配4 mA至20 mA輸出范圍之外的電流。

可編程控制器評(píng)估系統(tǒng)

PLC評(píng)估系統(tǒng)3這里描述集成了生成完整輸入/輸出設(shè)計(jì)所需的所有階段。它包含四個(gè)完全隔離的ADC通道、一個(gè)帶RS-7接口的ARM232?微處理器和四個(gè)完全隔離的DAC輸出通道。該板由直流電源供電。硬件可配置的輸入范圍包括 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、±5 V、±10 V、4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA、±20 mA 以及熱電偶和 RTD。軟件可編程輸出范圍包括 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、±5 V、±10 V、4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA 和 0 mA 至 24 mA。

圖3.模擬輸入/輸出模塊。

輸出模塊：表 2 突出顯示了 PLC 輸出模塊的一些關(guān)鍵規(guī)格。由于真正的系統(tǒng)精度在測(cè)量通道（ADC）內(nèi)，因此控制機(jī)制（DAC）只需要足夠的分辨率來(lái)調(diào)諧輸出。對(duì)于高端系統(tǒng)，需要 16 位分辨率。使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)模架構(gòu)實(shí)際上很容易滿足這一要求。準(zhǔn)確性并不重要;12位積分非線性（INL）通常足以滿足高端系統(tǒng)的需求。

0°C時(shí)05.25%的校準(zhǔn)精度可通過(guò)過(guò)量輸出和調(diào)整以達(dá)到所需值輕松實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今的16位DAC，如AD5066，4在0°C時(shí)提供05.0 mV的典型失調(diào)誤差和01.25%的典型增益誤差，在許多情況下無(wú)需校準(zhǔn)。0.15%的總精度誤差聽(tīng)起來(lái)是可控的，但實(shí)際上在整個(gè)溫度范圍內(nèi)指定時(shí)非常大。30 ppm/°C的輸出漂移可在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)增加0.18%的誤差。

表 2.輸出模塊規(guī)格。

輸出模塊可以具有電流輸出、電壓輸出或組合。使用分立元件實(shí)現(xiàn)4 mA至20 mA環(huán)路的經(jīng)典解決方案如圖4所示。AD5660 16位nanoDAC轉(zhuǎn)換器提供0 V至5 V輸出，可通過(guò)檢測(cè)電阻設(shè)置電流R。?S，因此，a 到 R1.該電流通過(guò)R鏡像2.

設(shè)置 RS= 15 kΩ， R1= 3 kΩ， R2= 50 Ω，使用 5V DAC 將產(chǎn)生 IR2= 最大 20 mA

圖4.分立式4 mA至20 mA方案。

這種分立式設(shè)計(jì)存在許多缺點(diǎn)：其高元件數(shù)量導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性、電路板尺寸和成本顯著增加。計(jì)算總誤差很困難，多個(gè)分量會(huì)使用不同極性的系數(shù)增加不同程度的誤差。該設(shè)計(jì)不提供短路檢測(cè)/保護(hù)或任何級(jí)別的故障診斷。它不包括許多工業(yè)控制模塊所需的電壓輸出。添加這些功能中的任何一個(gè)都會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和組件數(shù)量。更好的解決方案是將上述所有功能集成在單個(gè)IC上，例如低成本、高精度、5412位/5422位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD12/AD16。 它們提供的解決方案提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，旨在滿足工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用的要求。

圖5.AD5422可編程電壓/電流輸出

輸出電流范圍可編程為4 mA至20 mA、0 mA至20 mA或0 mA至24 mA超量程功能。電壓輸出可通過(guò)單獨(dú)的引腳提供，以提供0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V范圍，所有范圍均提供10%的超量程。模擬輸出具有短路保護(hù)功能，這是輸出接線錯(cuò)誤時(shí)的關(guān)鍵功能，例如，當(dāng)用戶將輸出接地而不是負(fù)載時(shí)。AD5422還具有開(kāi)路檢測(cè)功能，可監(jiān)控電流輸出通道，確保輸出和負(fù)載之間沒(méi)有故障。如果發(fā)生開(kāi)路，F(xiàn)AULT 引腳將變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，從而提醒系統(tǒng)控制器。AD5750可編程電流/電壓輸出驅(qū)動(dòng)器具有短路檢測(cè)和保護(hù)功能。

圖6顯示了PLC評(píng)估系統(tǒng)中使用的輸出模塊。早期系統(tǒng)通常需要500 V至1 kV的隔離，而今天通常需要>2 kV。ADuM1401數(shù)字隔離器采用耦合器?5在MCU和遠(yuǎn)程負(fù)載之間或輸入/輸出模塊和背板之間提供必要的隔離的技術(shù)。ADuM1401的三個(gè)通道沿一個(gè)方向通信;第四個(gè)通道以相反的方向通信，提供來(lái)自轉(zhuǎn)換器的隔離數(shù)據(jù)回讀。對(duì)于較新的工業(yè)設(shè)計(jì)，ADuM3401及其數(shù)字隔離器系列的其他成員可提供增強(qiáng)的系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)。

圖6.輸出模塊塊級(jí)別。

AD5422產(chǎn)生自己的邏輯電源（DVCC），可以直接連接到ADuM1401的現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，無(wú)需跨越隔離柵使用邏輯電源。AD5422內(nèi)置一個(gè)檢測(cè)電阻，但當(dāng)需要較低的漂移時(shí)，可以使用外部電阻（R1）。由于檢測(cè)電阻控制輸出電流，因此其電阻的任何漂移都會(huì)影響輸出。內(nèi)部檢測(cè)電阻的典型溫度系數(shù)為10 ppm/°C至20 ppm/°C，在0°C溫度范圍內(nèi)可能會(huì)增加12.60%的誤差。在高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，可以使用一個(gè)外部 2ppm/°C 檢測(cè)電阻將漂移保持在 0.016% 以下。

AD5422內(nèi)置一個(gè)10 ppm/°C最大基準(zhǔn)電壓源，可在PLC評(píng)估系統(tǒng)的所有四個(gè)輸出通道上使能。或者，ADR445超低噪聲XFET基準(zhǔn)電壓源具有0.04%的初始精度和3 ppm/°C，可用于兩個(gè)輸出通道，從而允許性能比較，并根據(jù)所需的總系統(tǒng)性能選擇內(nèi)部和外部基準(zhǔn)電壓源。?

輸入模塊：輸入模塊的設(shè)計(jì)規(guī)范與輸出模塊的設(shè)計(jì)規(guī)范相似。高分辨率和低噪聲通常很重要。在工業(yè)應(yīng)用中，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)，需要差分輸入，以抑制來(lái)自電機(jī)、交流電源線或其他噪聲源的共模干擾，這些噪聲源將噪聲注入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的模擬輸入。

Σ-Δ型ADC是輸入模塊最受歡迎的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈呔群透叻直媛?。此外，?nèi)部可編程增益放大器（PGA）允許精確測(cè)量小輸入信號(hào)。圖7顯示了評(píng)估系統(tǒng)中使用的輸入模塊設(shè)計(jì)。AD7793是3通道、24位Σ-Δ型ADC，可適應(yīng)4 mA至20 mA、±10 V等大范圍輸入信號(hào)，以及直接來(lái)自傳感器的小信號(hào)輸入。

圖7.輸入模塊設(shè)計(jì)。

注意使這種通用輸入設(shè)計(jì)易于適應(yīng)RTD/熱電偶模塊。如圖所示，每個(gè)輸入通道提供兩個(gè)輸入接線端子。一個(gè)輸入允許直接連接到AD7793。用戶可以對(duì)內(nèi)部PGA進(jìn)行編程，以提供高達(dá)128的模擬增益。第二路輸入允許通過(guò)JFET輸入儀表放大器AD8220對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。在這種情況下，輸入信號(hào)被衰減、放大和電平轉(zhuǎn)換，為ADC提供單端輸入。除了提供電平轉(zhuǎn)換功能外，AD8220還具有非常好的共模抑制性能，這在具有寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用中非常重要。

低功耗、高性能AD7793功耗<500 μA，AD8220功耗<750 μA。該通道設(shè)計(jì)接受4 mA至20 mA、0 V至5 V和0 V至10 V模擬輸入。輸入模塊中的其他通道設(shè)計(jì)為雙極性操作，可接受±5 V和±10 V輸入信號(hào)。

為了測(cè)量4 mA至20 mA輸入信號(hào)，可以將低漂移精密電阻（S4）切換到電路中。在本設(shè)計(jì)中，其電阻為250 Ω，但只要產(chǎn)生的電壓在AD8220的輸入范圍內(nèi)，就可以使用任何值。測(cè)量電壓時(shí)，S4保持打開(kāi)狀態(tài)。

大多數(shù)輸入模塊設(shè)計(jì)都需要隔離。圖7顯示了如何在PLC評(píng)估系統(tǒng)的一個(gè)通道上實(shí)現(xiàn)隔離。ADuM5401 4通道數(shù)字隔離器采用等功率?6提供 2.5kV rms 信號(hào)和電源隔離的技術(shù)。除了提供四個(gè)隔離信號(hào)通道外，ADuM5401還包含一個(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的5 V、500 mW輸出，為輸入模塊的模擬電路供電。

完整系統(tǒng)：整個(gè)系統(tǒng)的概述如圖8所示。ADuC7027精密模擬微控制器7是主系統(tǒng)控制器。采用 ARM7TDMI 內(nèi)核，其 32 位架構(gòu)可輕松與 24 位 ADC 接口。它還支持 16 位拇指模式，如果需要，該模式允許更高的代碼密度。ADuC7027具有16 kB板載閃存，允許與高達(dá)512 kB的外部存儲(chǔ)器接口。ADP3339高精度、低壓差穩(wěn)壓器（LDO）為微控制器提供穩(wěn)壓電源。?

圖8.系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

評(píng)估板和PC之間的通信通過(guò)ADM3251E隔離式RS-232收發(fā)器提供。ADM3251E采用iso電源技術(shù)，無(wú)需單獨(dú)的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。它非常適合在電氣惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，或者RS-232電纜經(jīng)常插入或拔出，因?yàn)镽S-232引腳Rx和Tx具有高達(dá)±15 kV的靜電放電保護(hù)。

評(píng)估系統(tǒng)軟件和評(píng)估工具：評(píng)估系統(tǒng)非常通用。與 PC 的 通信 是 使用 LabView 實(shí)現(xiàn)的。8微控制器（ADuC7027）的固件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，用于控制進(jìn)出ADC和DAC通道的低電平命令。

圖 9 顯示了主屏幕界面。左側(cè)的下拉菜單允許用戶選擇有源ADC和DAC通道。在每個(gè)ADC和DAC菜單下都有一個(gè)下拉范圍菜單，用于選擇要測(cè)量和控制的所需輸入和輸出范圍。提供以下輸入和輸出范圍：4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA、0 mA 至 24 mA、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、±5 V 和 ±10 V。

圖9.評(píng)估軟件主屏幕控制器。

ADC配置屏幕如圖10所示，用于設(shè)置ADC通道、更新速率和PGA增益;啟用或禁用激勵(lì)電流;以及其他通用ADC設(shè)置。通過(guò)將相應(yīng)的DAC輸出通道連接到ADC輸入端子并調(diào)整每個(gè)范圍來(lái)校準(zhǔn)每個(gè)ADC通道。因此，使用這種校準(zhǔn)方法時(shí)，AD5422的失調(diào)和增益誤差決定了每個(gè)通道的失調(diào)和增益。如果這些提供的精度不足，如果需要，可以使用超高精度電流和電壓源進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖 10.ADC 配置屏幕。

選擇ADC的輸入通道、輸入范圍和更新速率后，我們現(xiàn)在可以使用ADC統(tǒng)計(jì)屏幕（如圖11所示）顯示一些測(cè)量數(shù)據(jù)。在此屏幕上，用戶選擇要記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù);軟件生成所選通道的直方圖，計(jì)算峰峰值和均方根噪聲，并顯示結(jié)果。在此所示的測(cè)量中，輸入通過(guò)AD8220連接到AD7793：增益= 1，更新速率= 16.7 Hz，采樣數(shù)= 512，輸入范圍= ±10 V，輸入電壓= 2.5 V。峰峰值分辨率為 18.2 位。

圖 11.ADC 統(tǒng)計(jì)信息屏幕。

在圖12中，輸入直接連接到AD7793，旁路AD8220。片內(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源直接連接到AD7793的AIN+和AIN–通道，為ADC提供0 V差分信號(hào)。峰峰值分辨率為 20.0 位。如果ADC條件保持不變，但2.5 V輸入通過(guò)AD8220連接，則峰峰值分辨率會(huì)降至18.9位，原因有兩個(gè)：增益較低時(shí)，AD8220會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)一些噪聲;提供輸入衰減的縮放電阻會(huì)導(dǎo)致ADC有一定的范圍損耗。PLC評(píng)估系統(tǒng)允許用戶更改縮放電阻以優(yōu)化ADC的滿量程范圍，從而提高峰峰值分辨率。

圖 12.AD7793性能

電源輸入保護(hù)：PLC 評(píng)估系統(tǒng)使用電磁兼容性 （EMC） 的最佳實(shí)踐。穩(wěn)壓直流電源（18 V至36 V）通過(guò)2線或3線接口連接到電路板。必須保護(hù)該電源免受故障和電磁干擾 （EMI） 的影響。在電路板設(shè)計(jì)中采取了以下預(yù)防措施（如圖13所示），以確保PLC評(píng)估系統(tǒng)能夠承受電源端口上可能產(chǎn)生的任何干擾。

圖 13.電源輸入保護(hù)。

壓敏電阻R1連接到電源輸入端口附近的地。在正常工作期間，R1的電阻非常高（兆歐），因此漏電流非常低（微安）。當(dāng)端口上感應(yīng)到電流浪涌（例如由雷電引起）時(shí)，壓阻擊穿，微小的電壓變化會(huì)產(chǎn)生快速的電流變化。在幾十納秒內(nèi)，壓電電阻的電阻急劇下降。這種低電阻路徑允許不需要的能量浪涌返回到輸入，從而保護(hù)IC電路。輸入路徑中還連接了三個(gè)可選的壓敏電阻（R2、R3和R4），以便在PLC板使用3線配置供電時(shí)提供保護(hù)。壓敏電阻的成本通常遠(yuǎn)低于一美元。

一個(gè)正溫度系數(shù)電阻器 PTC1 與電源輸入走線串聯(lián)。PTC1電阻在正常工作期間顯得非常低，對(duì)電路的其余部分沒(méi)有影響。當(dāng)電流超過(guò)標(biāo)稱值時(shí)，PTC1的溫度和電阻迅速增加。這種高電阻模式可限制電流并保護(hù)輸入電路。當(dāng)電流減小到標(biāo)稱限值時(shí)，電阻恢復(fù)到正常值。

Y 型電容器當(dāng)PLC板使用浮動(dòng)接地工作時(shí)，C2、C3和C4抑制共模傳導(dǎo)EMI。這些安全電容器需要低電阻和高耐壓性。設(shè)計(jì)人員必須使用具有 UL 或 CAS 認(rèn)證并符合絕緣強(qiáng)度法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的 Y 電容器。

電感L1和L2濾除來(lái)自電源端口的共模傳導(dǎo)干擾。二極管D1保護(hù)系統(tǒng)免受反向電壓的影響?？梢允褂猛ㄓ霉杌?a target="_blank">肖特基二極管，指定工作電流下的低正向電壓。

模擬輸入保護(hù)：PLC板可以容納電壓和電流輸入。圖 14 顯示了輸入結(jié)構(gòu)。負(fù)載電阻R5切換為電流模式。電阻R6和R7衰減輸入。電阻R8設(shè)置AD8220的增益。

圖 14.模擬輸入保護(hù)。

這些模擬輸入端口可以在外部端子連接上承受電涌或靜電放電。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）提供高效的保護(hù)，防止此類(lèi)放電。當(dāng)模擬輸入端出現(xiàn)高能量瞬變時(shí)，TVS在幾納秒內(nèi)從高阻抗變?yōu)榈妥杩?。它可以吸收?shù)千瓦的浪涌功率，并將模擬輸入鉗位到預(yù)設(shè)電壓，從而保護(hù)精密元件免受浪涌損壞。其優(yōu)點(diǎn)包括快速響應(yīng)時(shí)間、高瞬態(tài)功率吸收、低漏電流、低擊穿電壓誤差和小封裝尺寸。

儀表放大器通常用于處理模擬輸入信號(hào)。這些精密、低噪聲元件對(duì)干擾很敏感，因此流入模擬輸入的電流應(yīng)限制在幾毫安以下。外部肖特基二極管通常保護(hù)儀表放大器。即使提供了內(nèi)部ESD保護(hù)二極管，使用外部二極管也允許更小的限幅電阻以及更低的噪聲和失調(diào)誤差。雙串聯(lián)肖特基勢(shì)壘二極管 D4-A 和 D4-B 將過(guò)電流轉(zhuǎn)移到電源或接地。

將熱電偶（TC）或電阻溫度器件（RTD）等外部傳感器直接連接到ADC時(shí)，需要類(lèi)似的保護(hù)，如圖15所示。

圖 15.模擬輸入保護(hù)。

兩個(gè)四通道TVS網(wǎng)絡(luò)D5-C和D5-D被置于J2輸入引腳之后，以抑制來(lái)自端口的瞬變。

C7、C8、C9、R9和R10在ADC之前形成RF衰減濾波器。濾波器具有三個(gè)功能：從輸入線路中盡可能多地消除RF能量，保持每條線路和地之間的交流信號(hào)平衡，以及在測(cè)量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免信號(hào)源加載。該濾波器的–3 dB差模和共模帶寬分別為7.9 kHz和1.6 MHz。AIN2+ 和 AIN2– 的 RTD 輸入通道以相同的方式受到保護(hù)。

模擬輸出保護(hù)：PLC評(píng)估系統(tǒng)可通過(guò)軟件配置為輸出各種范圍內(nèi)的模擬電壓或電流。輸出由AD5422精密、低成本、全集成度、16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供可編程電流源和可編程電壓輸出。AD5422的電壓和電流輸出可以直接連接到外部負(fù)載，因此容易受到電壓浪涌和EFT脈沖的影響。

輸出結(jié)構(gòu)如圖 16 所示。

圖 16.模擬輸出保護(hù)。

TVS （D11） 用于過(guò)濾和抑制來(lái)自端口 J5 的任何瞬變。

非導(dǎo)電陶瓷鐵氧體磁珠（L3）與輸出路徑串聯(lián)，以增加對(duì)高頻瞬態(tài)噪聲的隔離和去耦。在低頻（<100 kHz）下，鐵氧體是電感性的;因此，它們?cè)诘屯↙C濾波器中很有用。高于100 kHz時(shí)，鐵氧體變?yōu)殡娮瑁@是高頻濾波器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要特性。鐵氧體磁珠提供三種功能：定位系統(tǒng)中的噪聲，防止外部高頻噪聲到達(dá)AD5422，以及防止內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲傳播到系統(tǒng)的其余部分。當(dāng)鐵氧體飽和時(shí)，它們變得非線性并失去濾波特性。因此，鐵氧體的直流飽和電流不能超過(guò)其極限，尤其是在產(chǎn)生高電流時(shí)。

雙串聯(lián)肖特基勢(shì)壘二極管 D9-A 和 D9-B 將任何過(guò)電流轉(zhuǎn)移到正極或負(fù)極電源。當(dāng)AD22驅(qū)動(dòng)高達(dá)5422 μF的容性負(fù)載時(shí)，C1提供電壓輸出緩沖器和相位補(bǔ)償。

電流輸出通道上的保護(hù)電路與電壓輸出通道上的保護(hù)電路非常相似，只是用一個(gè)10 Ω電阻（R17）代替了鐵氧體磁珠。AD5422的電流輸出由外部分立NPN晶體管Q1升壓。增加外部升壓晶體管將減少片內(nèi)輸出晶體管中的電流，從而降低AD5422的功耗。擊穿電壓BV首席執(zhí)行官Q(mào)1 應(yīng)大于 60 V。外部升壓能力適用于AD5422在極端電源電壓、負(fù)載電流和溫度范圍下使用的應(yīng)用。升壓晶體管還可用于降低溫度引起的漂移量，從而最大限度地減小片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源的漂移，并改善器件的漂移和線性度。

一個(gè) 15kΩ 精密低漂移電流設(shè)置電阻 （R15） 連接到 R設(shè)置以提高電流輸出在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

當(dāng)AD15由外部電壓供電時(shí)，PLC演示系統(tǒng)可以配置為提供高于5422 V的電壓輸出。TVS 用于保護(hù)電源輸入端口。二極管 D6 和 D7 提供反向偏置保護(hù)。所有電源均由 10μF 固體鉭電解電容器和 0.1μF 陶瓷電容器去耦。

IEC測(cè)試和結(jié)果：表3中的結(jié)果顯示了測(cè)試期間DAC輸出的偏差。測(cè)試完成后，輸出恢復(fù)為原始值。這通常稱為B類(lèi)，A類(lèi)表示在測(cè)試期間偏差在允許的系統(tǒng)精度范圍內(nèi)。典型的工業(yè)控制系統(tǒng)精度約為0.05%。

表 3.IEC測(cè)試結(jié)果。

圖 17.DAC通道直流電壓輸出。輻射抗擾度 80 MHz 至 1 GHz @ 10 V/mH。

圖 18.DAC 通道 1 直流電壓輸出。輻射抗擾度 1.4 GHz 至 2 GHz @ 3 V/mH。

典型系統(tǒng)配置：圖19顯示了評(píng)估系統(tǒng)的照片以及如何配置典型系統(tǒng)。輸入通道可輕松接受環(huán)路供電和非環(huán)路供電傳感器輸入，以及標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流和電壓輸入。完整的設(shè)計(jì)采用ADI公司的轉(zhuǎn)換器、隔離技術(shù)、處理器和電源管理產(chǎn)品，使客戶能夠輕松評(píng)估整個(gè)信號(hào)鏈。

圖 19.工業(yè)控制評(píng)價(jià)體系。

審核編輯：郭婷