PLC評(píng)估板簡(jiǎn)化工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這種分立設(shè)計(jì)方案有很多缺陷：器件數(shù)量多，造成系統(tǒng)復(fù)雜、大的電路板尺寸以及成本；總誤差難以計(jì)算，多個(gè)器件導(dǎo)致誤差度隨著不同極性系數(shù)而變化；這種設(shè)計(jì)不能提供短路檢測(cè)/保護(hù)或者任何故障診斷；不包括許多工業(yè)控制模塊中必需的電壓輸出。添加任何這類特性都將會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜性和器件數(shù)量的增加，更好的解決方案是集成上述所有特性的單芯片IC，例如， AD5412/AD5422 這些低成本、高精度的12位/16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器?；谶@些器件的方案能夠提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，專為滿足工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)。

圖5. AD5422可編程電壓/電流輸出。

輸出電流范圍可編程為：4mA至20 mA、0mA至20mA或者擴(kuò)展的0mA至24mA。電壓輸出由獨(dú)立的引腳提供，輸出范圍可以設(shè)置為：0V至5V、0V至10V、±5V或±10V，并且所有范圍都允許擴(kuò)展10%。模擬輸出具有短路保護(hù)，在發(fā)生錯(cuò)誤接線輸出時(shí)，這是一個(gè)關(guān)鍵特性——例如，用戶將輸出連接到地而非負(fù)載。AD5422也具有斷路檢測(cè)特性，能夠監(jiān)控電流輸出通道，以確保在輸出和負(fù)載之間沒(méi)有故障發(fā)生。在斷路情況下，F(xiàn)AULT管腳將激活，向系統(tǒng)控制器報(bào)警?？删幊屉娏?電壓輸出驅(qū)動(dòng)器 AD5750 則兼具短路檢測(cè)和保護(hù)特性。

圖6所示為用于PLC評(píng)估系統(tǒng)的輸出模塊。早期的系統(tǒng)一般需要隔離500V至1kV的電壓，而現(xiàn)今通常需要隔離高于2KV的電壓。 ADuM1401 數(shù)字隔離器采用 iCoupler5 技術(shù)，為MCU和遠(yuǎn)端負(fù)載之間，或者輸入/輸出模塊和背板之間提供必要的隔離。ADuM1401的3個(gè)通道在一個(gè)方向上進(jìn)行通信，第4個(gè)通道在相反方向進(jìn)行通信，提供來(lái)自轉(zhuǎn)換器的隔離數(shù)據(jù)回讀。對(duì)于更新的工業(yè)設(shè)計(jì)，ADuM3401 及該系列數(shù)字隔離器的其它產(chǎn)品能夠提供增強(qiáng)的系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)。

圖6. 輸出模塊級(jí)。

AD5422產(chǎn)生自己的邏輯電源(DVCC)，它能被直接連接到ADuM1401的現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，而無(wú)需攜帶邏輯電源通過(guò)隔離勢(shì)壘。AD5422包括一個(gè)內(nèi)部感應(yīng)電阻，但是當(dāng)要求更低的漂移時(shí)，也可采用一個(gè)外部感應(yīng)電阻(R1)。因?yàn)楦袘?yīng)電阻控制輸出電流，其電阻的任何漂移都將影響輸出。內(nèi)部感應(yīng)電阻的典型溫度系數(shù)是15ppm/°C至20ppm/°C，在60°C溫度范圍上會(huì)增加0.12%的誤差。在高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，一個(gè)外部感應(yīng)電阻(2ppm/°C)能被用于保持漂移小于0.016%。

AD5422內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源(最大漂移10ppm/°C)，這個(gè)基準(zhǔn)電壓源在PLC評(píng)估系統(tǒng)中的所有4個(gè)通道上均可被激活。另一個(gè)選擇方案是超低噪聲XFET基準(zhǔn)電壓源 ADR445 它具有0.04%的內(nèi)部精度，溫漂3ppm/°C，可用于兩個(gè)輸出通道，選擇內(nèi)置或是外部基準(zhǔn)電壓取決于總的系統(tǒng)性能需求。

輸入模塊： 輸入模塊的技術(shù)規(guī)格與輸出模塊相似。通常，高分辨率和低噪聲是很重要的。在工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)測(cè)量來(lái)自熱電偶、應(yīng)變計(jì)以及橋式壓力傳感器的低水平信號(hào)時(shí)，通常需要差分輸入信號(hào)，以抑制來(lái)自電機(jī)、交流電力線，或其它的噪聲源(這些噪聲源將噪聲引入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模擬輸入端)的共模干擾信號(hào)。

對(duì)于輸入模塊而言，Σ-Δ型ADC是最受歡迎的選擇，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁└呔燃案叻直媛省４送?，其?nèi)置可編程增益放大器(PGA)可以精確測(cè)量小的輸入信號(hào)。圖7所示為用于評(píng)估系統(tǒng)的輸入模塊設(shè)計(jì)。3通道、24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793 被配置為可提供較大范圍的輸入信號(hào)，例如4mA至20mA、±10V以及直接來(lái)自傳感器的小信號(hào)輸入。

圖7. 輸入模塊設(shè)計(jì)。

這種普遍的輸入設(shè)計(jì)很容易適應(yīng)RTD/熱電偶模塊。如圖所示，每個(gè)輸入通道提供兩個(gè)輸入接線端子。一個(gè)輸入端子直接連到AD7793。用戶可以對(duì)內(nèi)置PGA進(jìn)行編程，以提供高達(dá)128的模擬增益。第二個(gè)輸入端子使信號(hào)能夠通過(guò)JFET輸入儀表放大器 AD8220 被調(diào)理。這樣，輸入信號(hào)就被削弱、放大，并經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，以提供單端輸入信號(hào)給ADC。除了提供電平轉(zhuǎn)換功能，AD8220還具有非常好的共模抑制特性，這在寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用中很重要。

低功耗、高性能的AD7793功耗小于500μA，而AD8220功耗小于750μA。這個(gè)通道被設(shè)計(jì)為可接受4mA至20mA、0V至5V以及0V至10V的模擬輸入信號(hào)。輸入模塊的其它通道針對(duì)雙極性工作方式設(shè)計(jì)，可接受±5V 和±10V的輸入信號(hào)。

為測(cè)量一個(gè)4mA至20mA輸入信號(hào)，一個(gè)低漂移精密電阻通過(guò)開(kāi)關(guān)(S4)連入電路。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，該電阻的阻值為250Ω，但是，只要產(chǎn)生的電壓在AD8220的輸入范圍內(nèi)，就可以用任意電阻值。在測(cè)量電壓時(shí)，S4保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。

大多數(shù)輸入模塊設(shè)計(jì)都需要隔離。圖7展示了在PLC評(píng)估系統(tǒng)的一個(gè)通道上如何實(shí)現(xiàn)隔離。4通道數(shù)字隔離器ADuM5401 采用isoPower®6 技術(shù)，可提供2.5kV的有效值(RMS)信號(hào)和功率隔離。除了提供4個(gè)隔離的信號(hào)通道，ADuM5401還包含1個(gè)隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的5V、500mW輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)輸入模塊的模擬電路

完整的系統(tǒng)：圖8所示為完整系統(tǒng)的概覽。 ADuC7027 精密模擬微控制器7是主要的系統(tǒng)控制器。其內(nèi)嵌ARM7TDMI內(nèi)核，32位架構(gòu)可輕松實(shí)現(xiàn)該器件與24位ADC的連接。它還支持16位thumb模式，如果需要，可實(shí)現(xiàn)更高的代碼密度。ADuC7027帶有16kB片上閃存，并可外接512kB存儲(chǔ)器。高精度、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)ADP3339 可為微控制器提供穩(wěn)壓電源。

圖8. 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。