如何優(yōu)化工業(yè)DAQ系統設計？

　　可編程邏輯控制器(PLC)是很多工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制系統的核心，可監控和控制復雜的系統變量。 基于PLC的系統采用多個(gè)傳感器和執行器，可測量和控制模擬過(guò)程變量，例如壓力、溫度和流量。 PLC廣泛應用于眾多不同應用，例如工廠(chǎng)、煉油廠(chǎng)、醫療設備和航空航天系統，它們需要很高的精度，還要保持穩定的長(cháng)時(shí)間工作。 此外，激烈的市場(chǎng)競爭形勢要求必須降低成本和縮短設計時(shí)間。 因此，工業(yè)設備和關(guān)鍵基礎設施的設計人員在滿(mǎn)足客戶(hù)對精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴格要求方面遇到了嚴峻的挑戰。

　　本文說(shuō)明如何利用ADAS3022來(lái)替換模擬前端(AFE)級，從而降低復雜性，解決多通道數據采集系統設計中遇到的諸多難題。 這種高性能器件具有多個(gè)輸入范圍，非常適合高精度工業(yè)、儀器、電力線(xiàn)和醫療數據采集卡應用，可以降低成本和加快產(chǎn)品面市，同時(shí)占用空間很小，易于使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

　　圖1. 典型PLC信號鏈

　　PLC應用示例

　　圖1顯示在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制系統中使用PLC的簡(jiǎn)化信號鏈。 PLC通常包括模擬和數字輸入/輸出(I/O)模塊、中央處理器(CPU)和電源管理電路。

　　在工業(yè)應用中，模擬輸入模塊可獲取和監控惡劣環(huán)境中的遠程傳感器信號，例如存在極端溫度和濕度、振動(dòng)、爆炸化學(xué)物品的環(huán)境。 典型信號包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿(mǎn)量程范圍的單端電壓或差分電壓，或者0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA范圍的環(huán)路電流。 當遇到具有嚴重電磁干擾(EMI)的長(cháng)電纜時(shí)，通常使用電流環(huán)路，因為它們本身具有良好的抗擾度。

　　模擬輸出模塊通?？刂茍绦衅?，例如繼電器、電磁閥和閥門(mén)等，以形成完整自動(dòng)化控制系統。 它們通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿(mǎn)量程范圍的輸出電壓，以及4 mA至20 mA的環(huán)路電流輸出。

　　典型模擬I/O模塊包括2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)或16個(gè)通道。 為滿(mǎn)足嚴格行業(yè)標準，這些模塊需要提供過(guò)壓、過(guò)流和EMI浪涌保護。 大多數PLC包括ADC和CPU之間、CPU和DAC之間的數字隔離。 高端PLC可能還有國際電工委員會(huì )(IEC)標準規定的通道間隔離。 很多I/O模塊包括每通道軟件可編程單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率。

　　在現代PLC中，CPU自動(dòng)執行多個(gè)控制任務(wù)，利用實(shí)時(shí)信息訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行智能決策。 CPU可能包含高級軟件和算法以及Web連接，用于差錯校驗診斷和故障檢測。 常用通信接口包括RS-232、RS-485、工業(yè)以太網(wǎng)、SPI和UART。

　　圖2所示電路是一款高度集成、16位、1 MSPS、多路復用、8通道、靈活的數字采集系統(DAS)，集成可編程增益儀表放大器(PGIA)，能夠處理全范圍工業(yè)級信號。 這種高集成度可以節省電路板空間，降低整體部件成本，使得ADAS3022非常適合空間受限的應用，例如自動(dòng)測試設備、電力線(xiàn)監控、工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制、病人監護以及其他工業(yè)和儀表系統，它們都采用±10 V的工業(yè)信號電平工作。

　　圖2. 采用5 V單電源的16位、1MSPS、8通道數據采集解決方案簡(jiǎn)化原理圖

　　ADAS3022可經(jīng)配置用于測量最多八個(gè)單端輸入或四個(gè)差分對。 七種雙極性輸入范圍可處理各種工業(yè)信號電平(±640 mV至±24.576 V)，因此能夠直接與大部分傳感器接口相連。

　　+5 V單電源為電路供電，高效率、低紋波升壓轉換器產(chǎn)生±15 V電壓，可處理最高±24.576 V的差分輸入信號(±2 LSB INL最大值、±0.5 LSB DNL典型值)。 對于高精度應用，這款緊湊、經(jīng)濟型電路可以提供高精度和低噪聲性能。 經(jīng)低功耗運算放大器AD8031緩沖后的低噪聲基準電壓源ADR434提供基準電壓。

　　這個(gè)完整傳感器數據采集解決方案占用的電路板空間僅為分立方案的三分之一，并降低了一半的成本，有助于工程師簡(jiǎn)化設計，同時(shí)減小高級工業(yè)數據采集系統的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時(shí)間，節省成本。 它使得我們無(wú)需對輸入信號進(jìn)行緩沖、電平轉換、放大、衰減或其他調理，也消除了我們對共模抑制、噪聲和建立時(shí)間的擔憂(yōu)，還解決了與設計高精度16位1 MSPS數據采集系統相關(guān)的諸多難題。

　　ADP1613配置為SEPIC轉換器

　　ADP1613用作單端初級原邊電感(SEPIC) Cuk轉換器，是ADAS3022在外部5 V電源供電情況下，為其提供20 mA時(shí)所需±15 V高壓電源以及最大值為3 mV的低輸出紋波的理想選擇。 本應用中，ADP1613的開(kāi)關(guān)頻率為1.3MHz。 如圖3所示，ADP1613盡可能地減少了外部元器件數目，并且具有超過(guò)86%的效率，因此它能滿(mǎn)足ADAS3022的規格要求。在該拓撲中使用低成本ADP1613的最大優(yōu)勢，是它在兩條供電軌之間的出色跟蹤能力，同時(shí)使用現成的耦合電感可產(chǎn)生±15 V電壓。 除此之外，還能通過(guò)ADIsimPower設計工具輕松快捷地完成設計制造。

　　圖3. ADP1613的效率(POUT/PIN)與輸出電流(IOUT)的關(guān)系

　　圖2所示電路采用ADP161x SEPIC-Cuk可下載設計工具中的下列輸入進(jìn)行設計，ADIsimPower提供該設計工具。 利用ADIsimPower設計工具可進(jìn)行完全定制設計，并通過(guò)單個(gè)控制器的低成本SEPIC-Cuk拓撲快速創(chuàng )建穩定的雙路供電軌。

　　測試設置的功能框圖如圖4所示。ADP1613評估板由外部+5 V電源驅動(dòng)，產(chǎn)生ADAS3022板所需的±15 V電壓。 7 V直流壁式電源為EVAL-CED1Z板供電。 EVAL-CED1Z板上的穩壓器提供ADAS3022板所需的5 V電源。 運行交流測試時(shí)，采用Audio Precision SYS-2702產(chǎn)生低失真輸入信號。

　　圖4. 測試設置功能框圖

　　圖5顯示的是ADAS3022工作在1 MSPS，并對其中一個(gè)通道施加20 Vp-p、20kHz輸入信號時(shí)的典型動(dòng)態(tài)性能。 試驗中，分別采用線(xiàn)性±15 V臺式電源和ADP1613評估板的±15 V輸出驅動(dòng)ADAS3022， 未觀(guān)察到有交流或直流性能的差異。

　　圖5. 使用EVAL-CED1Z評估板和軟件的ADAS3022 FFT輸出

　　結論

　　下一代工業(yè)PLC模塊需要高精度、可靠運行和功能靈活性，所有這些特性都必須通過(guò)外形小巧的低成本產(chǎn)品提供。 ADAS3022具有業(yè)界領(lǐng)先的集成度和性能，支持廣泛的電壓和電流輸入，以便處理工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制的各種傳感器信號。 ADAS3022是PLC模擬輸入模塊和其他數據采集卡的理想之選，它使得工業(yè)制造商能夠讓他們的系統具有與眾不同的特性，同時(shí)滿(mǎn)足更加嚴苛的用戶(hù)要求。