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

作為許多工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)的核心，可編程邏輯控制器（PLC）監(jiān)測和控制復(fù)雜的系統(tǒng)變量?；?PLC 的系統(tǒng)采用多個傳感器和執(zhí)行器，測量和控制模擬過程變量，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)健的長期運(yùn)行。此外，競爭激烈的市場要求更低的成本和更短的設(shè)計(jì)時間。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，通過取代模擬前端（AFE）級來解決多通道數(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間，同時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)自動化和過程控制系統(tǒng)的PLC的簡化信號鏈。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。典型信號包括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）的長電纜時，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壓、過流和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還可以采用國際電工委員會（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以自動化方式執(zhí)行許多控制任務(wù)，利用實(shí)時信息訪問來做出智能決策。CPU可以體現(xiàn)先進(jìn)的軟件和算法，以及用于診斷錯誤檢查和故障檢測的網(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配置以及整體系統(tǒng)速度、精度和精密度。此處介紹的信號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為±10 V，設(shè)計(jì)人員將不得不擔(dān)心多路復(fù)用器的開關(guān)和建立時間以及其他模擬信號調(diào)理挑戰(zhàn)。此外，即使在使用這些高性能組件時，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)換時的指定性能，PGIA和漏斗放大器的建立時間必須小于710 ns。但是，AD8251規(guī)定10 V階躍的建立時間為785 ns至16位（0.001%），因此該信號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鏈。

集成解決方案簡化數(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，幫助工程師簡化設(shè)計(jì)，同時減小先進(jìn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸、上市時間和成本。它消除了緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或以其他方式調(diào)理輸入信號的必要性，也無需擔(dān)心共模抑制、噪聲和建立時間，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） 和寬動態(tài)范圍，使其能夠適應(yīng) 4mA 至 20mA 電流環(huán)路，精確測量小傳感器信號，并抑制來自交流電源線、電動機(jī)和其他來源的干擾（最小 CMR 為 90dB）。

輔助差分輸入通道可容納±4.096 V輸入信號。它繞過多路復(fù)用器和PGIA級，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，例如自動測試設(shè)備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動化、過程控制、患者監(jiān)控以及其他以±10 V工業(yè)信號電平運(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，而不會影響性能。

表1比較了ADAS3022和分立信號鏈的噪聲性能，表1使用每個元件的輸入信號幅度、增益、等效噪聲帶寬（ENBW）和折合到輸入端的（RTI）噪聲來計(jì)算整個信號鏈的總噪聲。

表 1.ADAS3022和分立信號鏈的噪聲性能

AD8475和AD7982之間的單極點(diǎn)低通濾波器（LPF）（圖2）可衰減來自AD7982開關(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)換時快速建立輸入信號。LPF的ENBW可以計(jì)算為：

ENBW = π/2 × f–3分貝= 9.6 兆赫。

請注意，此計(jì)算忽略了來自基準(zhǔn)電壓源和LPF的噪聲，因?yàn)樗粫@著影響總噪聲，而總噪聲由PGIA主導(dǎo)。

考慮一個使用 ±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（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噪聲來自數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的27 nV/√Hz噪聲密度，增益為2。同樣，AD8475的RTI噪聲來自其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)手冊中規(guī)定的95.5 dB SNR計(jì)算得出的，增益為0.8。整個信號鏈的總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法提供的三個額外輸入范圍（±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)自動化和過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實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)差異化。

審核編輯：郭婷