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完整傳感器數據采集解決方案應對系統設計挑戰
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時(shí)間：2016-12-19
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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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?；赑LC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。本文以PLC應用為例，說(shuō)明多功能、低成本的高度集成ADAS3022如何通過(guò)更換模擬前端(AFE)級，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。
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模塊可以對每通道的對單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率單獨進(jìn)行軟件編程。
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。
分立式數據采集系統方案
工業(yè)設計人員可以使用分立式高性能組件，為PLC或類(lèi)似數據采集系統構建模擬模塊，如圖2所示。主要設計考慮因素包括輸入信號配置、整體系統速度、精度和精確性。此處所示的信號鏈采用ADG1208/ADG1209低泄漏多路復用器、AD8251快速建立可編程增益儀表放大器(PGIA)、AD8475高速漏斗放大器、AD7982差分輸入18位PulSAR ADC和ADR4550超低噪聲基準電壓源。這種解決方案提供四個(gè)不同增益范圍，但在±10 V的最大輸入信號的情況下，設計人員必然會(huì )擔心多路復用器的切換和建立時(shí)間，以及其他模擬信號調理問(wèn)題。此外，在1 MSPS速率下實(shí)現真正的16位性能可能是一個(gè)嚴峻挑戰，即便在使用這些高性能器件時(shí)也是如此。
圖1. 典型PLC信號鏈。
AD7982具有滿(mǎn)量程階躍的290 ns瞬態(tài)響應性能。因此，要在1 MSPS速率下進(jìn)行轉換的同時(shí)保證指定性能，PGIA和漏斗放大器必須在710 ns時(shí)間內建立。但是，AD8251針對10 V階躍達到16位轉換精度(0.001%)的建立時(shí)間為785ns，因此該信號鏈的保證最大吞吐率將小于1 MSPS。
圖2. 使用分立式元件的模擬輸入信號鏈。
集成式解決方案簡(jiǎn)化數據采集系統設計
16位1 MSPS ADAS3022數據采集系統IC采用專(zhuān)有高壓工業(yè)工藝技術(shù)iCMOS制造，集成8通道、低泄漏多路復用器；高阻抗PGIA（具有高共模抑制）；高精度低漂移4.096 V基準電壓源和緩沖器；16位逐次逼近型ADC。如圖3所示。
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