ADC和DAC作為閉環(huán)控制系統(tǒng)核心的關(guān)鍵作用和性能優(yōu)勢的詳細分析

引言

在當(dāng)今工業(yè)自動化應(yīng)用中，復(fù)雜的控制系統(tǒng)代替人工來操作不同的機器和過程。術(shù)語“自動化”指其智能化足以制定正確的過程決策從而實現(xiàn)目標(biāo)結(jié)果的系統(tǒng)。我們這里所說的“系統(tǒng)”是指閉環(huán)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)依賴于輸入至控制器的傳感器數(shù)據(jù)，提供反饋，控制器據(jù)此采取措施。這些措施就是控制器輸出的變化。通過確保高性能、高可靠性工業(yè)操作，閉環(huán)控制系統(tǒng)對于現(xiàn)代化工業(yè)4.0工廠的工業(yè)自動化和效率至關(guān)重要。

本文討論閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，重點關(guān)注模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的關(guān)鍵角色。文章介紹多片高速ADC和DAC作為控制系統(tǒng)核心的關(guān)鍵作用和性能優(yōu)勢。最后，我們以MAXREFDES32和MAXREFDES71參考設(shè)計為例，介紹隔離電源和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)在工業(yè)閉環(huán)中的應(yīng)用。

開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)概覽

工業(yè)控制系統(tǒng)可分為兩類：開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。

開環(huán)控制系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，不提供來自于輸出的反饋。因此，控制過程只受系統(tǒng)輸入的影響。傳統(tǒng)上，電控制系統(tǒng)主要為開環(huán)，要求人工調(diào)節(jié)過程變量，以實現(xiàn)或維持預(yù)期輸出。典型的自動噴灑系統(tǒng)就是開環(huán)系統(tǒng)的一個例子。噴灑器的控制器只知道何時打開閥門以及何時將其關(guān)閉，并不利用傳感器檢測土壤的含水量或者利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)輸入至控制器。所以，即使土壤已經(jīng)濕透或是下雨天，自動噴灑系統(tǒng)仍然會打開閥門；只要沒有人手動關(guān)閉系統(tǒng)，系統(tǒng)就會執(zhí)行其任務(wù)。開環(huán)系統(tǒng)的缺點顯而易見：沒有任何反饋，系統(tǒng)不能自動調(diào)節(jié)其過程來更改其輸出。因此，開環(huán)系統(tǒng)的剛性、不靈活性使其不適合工業(yè)控制自動化應(yīng)用的速度和可變性要求。此外，工廠需要雇傭許多人來監(jiān)督和管理系統(tǒng)！

現(xiàn)在，我們討論一下閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)從傳感器收集反饋信息，并對其輸出做出相應(yīng)的過程調(diào)節(jié)，完全自動化、無需人工介入。家庭中帶有溫度監(jiān)控器的暖氣系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)的例子。本例中，設(shè)定的溫度目標(biāo)是系統(tǒng)的輸入，實時環(huán)境溫度是系統(tǒng)的反饋。溫度監(jiān)控器中的溫度傳感器將溫度數(shù)據(jù)反饋給控制器。通過將檢測的環(huán)境溫度與設(shè)定的溫度目標(biāo)進行比較，控制器做出相應(yīng)的決策，決定何時打開/關(guān)閉鍋爐或空調(diào)。

高性能閉環(huán)設(shè)計的關(guān)鍵

電子閉環(huán)控制系統(tǒng)通常包括三種元素：控制器、反饋信號輸入(ADC)和輸出執(zhí)行器(DAC)。ADC檢測并向控制器反饋重要信息?？刂破骰诜答佇畔⒅贫Q策，調(diào)節(jié)控制量；向DAC執(zhí)行器發(fā)送信號，后者處理控制量輸出。ADC和DAC的速度和精度對閉環(huán)至關(guān)重要。如果控制系統(tǒng)不能足夠快地響應(yīng)故障條件，就可能發(fā)生災(zāi)難性系統(tǒng)故障。

模擬輸出的高速和低噪聲性能

好的閉環(huán)控制系統(tǒng)要求ADC具有高分辨率、低失真以及快采樣率，以獲得快速、高精度反饋。

圖1和2所示為交流信號的FFT和直流直方圖結(jié)果。交流輸入信號的快速傅里葉變換(FFT)和直流輸入信號的直方圖提供了關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能的重要信息。

圖1. 通道1 (AIN1)的交流FFT，使用板載電源；差分-12V至+12V、20kHz正弦波輸入信號；400ksps采樣率；Blackman-Harris窗；室溫。數(shù)據(jù)來自于MAXREFDES71參考設(shè)計。

圖2. 通道1 (AIN1)的直流直方圖，使用板載電源；0V直流輸入信號；400ksps采樣率；65,536個采樣；編碼分散性為6 LSB，98.6%的編碼在三個中心LSB之內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.664；室溫。數(shù)據(jù)來自于MAXREFDES71參考設(shè)計。

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對低失真、正弦波信號的一組采樣進行FFT分析，常用于判定A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的動態(tài)性能。低失真信號源、高于被測系統(tǒng)的分辨率絕對是必不可少的。部分重要的動態(tài)指標(biāo)有：

●信噪比(SNR)

●總諧波失真(THD)

●信號與噪聲+失真比(SINAD)

●無雜散動態(tài)范圍(SFDR)

SNR為輸入信號均方根值(RMS)與A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生的RMS量化誤差之比。從圖1中400ksps高速采樣的FFT圖表可知，SNR大約為90dB。這意味著輸入信號的RMS值比RMS量化誤差大30,000倍(計算公式為XdB = 20 × log(ratio))。顯而易見，比值越大，A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的量化誤差越小。類似地，THD為輸入信號與總諧波失真之比。SINAD為輸入信號與量化誤差加諧波失真之比，SFDR為輸入信號與最大失真分量之比。