精密DAC和看門狗提高了模擬輸出安全性

使用DAC和微處理器監(jiān)控器，可以提高工業(yè)控制器、可編程邏輯控制器（PLC）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)安全性。當發(fā)生微處理器故障、光耦合器故障或欠壓情況時，模擬輸出設(shè)置為零電平（或引腳可編程中間電平）。演示了有關(guān)如何實現(xiàn)此功能的簡單應用程序。

介紹

當發(fā)生系統(tǒng)級故障時，工業(yè)應用中對安全狀態(tài)的需求至關(guān)重要。功能豐富的精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和微處理器（μP）監(jiān)控電路和看門狗定時器可用于確保模擬輸出默認為已知的中間電平或零電平電平。

電路操作

工業(yè)控制器、可編程邏輯控制器 （PLC） 和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 中使用的常見模擬輸出控制信號包括電壓輸出，例如 0 至 5V、0 至 10V、±5V、±10V 和 4–20mA 電流環(huán)路。為確保安全完整性，模擬輸出控制信號應默認為已知的中間電平或零電平安全狀態(tài)，以響應μP或系統(tǒng)故障。為了提高安全性，模擬輸出模塊通常采用光耦合器在μP和模擬輸出信號之間提供電氣隔離。

圖1電路滿足模擬輸出安全性和可靠性要求。當發(fā)生μP故障、光耦合器故障或欠壓情況時，監(jiān)控電路（U3，MAX6303）將12位DAC（U2，MAX5120）模擬輸出設(shè)置為中間電平，進而設(shè)置V外至 0V 安全狀態(tài)輸出。該電路還通過減少μP上的I/O引腳數(shù)量和消除光耦合器來改善平均無故障時間（MTBF）。

圖1.當電源電壓、光耦合器或μP操作發(fā)生故障時，該DAC （U2）和μP監(jiān)控器（U3）共同產(chǎn)生用戶編程的安全狀態(tài)默認輸出（V外).

三種DAC特性使電路能夠滿足安全關(guān)鍵功能：異步復位輸入（/CLR）、用戶可選復位值輸入（RSTVAL）和用戶可編程輸出（UPO）。這些內(nèi)置特性還消除了增設(shè)光耦合器的需求，減少了μP上的I/O引腳數(shù)量，并消除了外部分立電路。μP監(jiān)控器包括一個電阻可編程復位輸入門限、一個電容可編程看門狗定時器和一個復位超時周期。

以下是電路的工作原理。由于DAC代碼的范圍從000hex到FFFhex，模擬輸出電壓（V外） 范圍為 -10V 至 +10V。運算放大器U1A （MAX9944）由DAC的內(nèi)部10ppm/°C精密帶隙基準偏移;輸出運算放大器U1B （MAX9944）配置為緩沖器，增益為4。

電路的輸出電壓計算公式為：

VOUT = VREF × (G × NB/4096 - 1) × (RF/RIN + 1)

其中 NB 是 DAC 二進制代碼的數(shù)值;V裁判是內(nèi)部基準電壓;G是U1A的增益;和 RF/R在是 U1B 的增益電阻比。

微處理器監(jiān)控器 U3 監(jiān)控隔離電源電壓 （V.ISO） 通過其 V抄送針。它還使用 UPO 監(jiān)控 WDI 引腳上的 μP 活動，并通過/復位生成復位輸出命令。復位輸入處的電阻分壓器（U3引腳1）確定復位電平電壓門限（V千).同樣，復位超時周期（tRP） 和看門狗超時期限 （t白矮星） 由 SRT 和 SWT 處的電容器值決定。將 WDS 連接到 V抄送進入擴展模式，延長 T白矮星500倍。以下公式計算電路中所需的值：

VRST = VTH(R1 + R2)/R2

其中 V千= 1.22V 和 VRST是可調(diào)復位閾值電壓：

C.SRT= tRP/2.67

其中 C.SRT以 pF 和 t 為單位RP以 μs 為單位;CSWT以 pF 和 t 為tWD以 μs 為單位。因此：

CSWT = tWD/(500 × 2.67)

如果 Vcc失敗或如果μP無法通過UPO切換WDI，則U3置位/RESET輸出，通過其CLR輸入復位U2。此操作將 U2 的輸出重置為 RSTVAL 設(shè)置的條件（在本例中為中間電平，在 V 時產(chǎn)生 0V外).在正常工作中，μP必須以小于編程看門狗超時周期（t白矮星).以這種方式，UPO輸出例行切換WDI，這意味著UPO在WDI上“踢狗”。請注意，在復位超時周期（tRP），/RESET有效釋放CLR，但DAC輸出在更新之前一直處于中間電平。

U3 的復位輸入和 GND 端子之間的切換允許用戶命令緊急關(guān)機。其它用于看門狗功能的器件是MAX6316系列和MAX6369系列，它們均提供固定的超時周期，并提供SOT23封裝。此外，DAC的單極性和雙極性模式允許其產(chǎn)生所有常見的模擬輸出控制信號。

結(jié)論

通過精密DAC和看門狗定時器μP監(jiān)控器的特殊功能，可以實現(xiàn)安全完整性的改進。這些器件共同可以為許多工業(yè)控制器應用中使用的模擬輸出提供安全狀態(tài)工作條件。

審核編輯：郭婷