基于完整數據采集系統設計方案

　　簡(jiǎn)介

　　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?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PLC">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.

　　圖1. 典型PLC信號鏈

　　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。

　　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。

　　圖3. ADAS3022功能框圖

　　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，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。它可在1 MSPS速率下(典型 SNR為91 dB)提供同類(lèi)最佳的16位精度(典型INL為±0.6 LSB)、低失調電壓、低溫度漂移和優(yōu)化噪聲性能，如圖4所示。該器件的額定溫度范圍為-40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。