PLC評估板簡化工業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

評估板和PC之間的通信通過ADM3251E提供，該器件與RS-232收發(fā)器隔離。ADM3251E結(jié)合了isoPower技術(shù)，無需另外的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。它非常適于嚴(yán)苛電力環(huán)境下的操作，或者需要頻繁插拔RS-232電纜的場合，因?yàn)镽S-232的引腳，包括Rx和Tx，都需要防范±15kV的靜電放電干擾。

評估系統(tǒng)軟件和評估工具：這套評估系統(tǒng)具有多種功能。與PC的通信可通過LabView8實(shí)現(xiàn)。微控制器(ADuC7027)的固件用C語言編寫，能夠控制往來ADC和DAC通道的低級命令。

圖9所示為主屏幕界面。左側(cè)的下拉菜單使用戶能夠選擇激活的ADC和DAC通道。在每一個(gè)ADC和DAC菜單下方是一個(gè)范圍設(shè)置下拉菜單，用于選擇期望的輸入和輸出范圍進(jìn)行測量和控制。它支持的輸入和輸出范圍包括：4mA至20mA、0mA至20mA、0mA至24mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。通過利用內(nèi)置的PGA，ADC可直接提供小的信號輸入范圍。

圖9. 評估軟件主屏幕控制器。

圖10所示的是ADC配置屏，用于設(shè)置ADC通道、更新速率和PGA增益；使能或禁止激勵(lì)電流；以及其它通用ADC設(shè)置。通過將相應(yīng)的DAC輸出通道連接到ADC輸入端，并調(diào)整每個(gè)范圍，可以校準(zhǔn)每個(gè)ADC通道。采用這種校準(zhǔn)方法時(shí)，AD5422的偏移和增益誤差指示每個(gè)通道的偏移和增益。如果這些不夠精確，可采用超高精度電流和電壓源進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖10. ADC配置屏幕。

在選擇ADC的輸入通道、輸入范圍和更新速率之后，現(xiàn)在我們利用ADC Stats屏幕，如圖11所示，顯示一些被測量的數(shù)據(jù)。在這個(gè)屏幕上，用戶選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行記錄；軟件生成所選通道的柱狀圖，計(jì)算峰-峰(P-P)和有效值(RMS)噪聲并顯示結(jié)果。在此處顯示的測量范例中，輸入信號通過AD8220被連接到AD7793：增益=1，更新速率=16.7Hz，采樣數(shù)=512，輸入范圍=±10V，輸入電壓=2.5V。峰-峰分辨率為18.2位。

圖11. ADC統(tǒng)計(jì)屏幕。

在圖12中，輸入信號被直接連接到AD7793，繞過AD8220。片上2.5V基準(zhǔn)電壓被直接連到AD7793的AIN+和AIN–通道，提供一個(gè)0V的差分信號給ADC。峰-峰分辨率是20.0位。如果ADC條件保持相同，但2.5V的輸入被連接到AD8220，則峰-峰分辨率下降到18.9位，其原因有兩個(gè)：在低增益時(shí)，AD8220帶給系統(tǒng)一些噪聲；提供輸入衰減的可調(diào)電阻導(dǎo)致ADC出現(xiàn)一些范圍損失。PLC評估系統(tǒng)允許用戶改變可調(diào)電阻以優(yōu)化ADC的滿量程范圍。

圖12. AD7793性能。

電源輸入保護(hù)：PLC評估系統(tǒng)采用針對電磁兼容(EMC)的最佳實(shí)踐。一個(gè)穩(wěn)壓直流電源(18V至36V)通過2線或3線接口連接到板上。電源必須防范故障和電磁干擾(EMI)。如圖13所示，在板級設(shè)計(jì)中采取下列防御措施，以確保PLC評估系統(tǒng)免于電源端口可能產(chǎn)生的各種干擾。

圖13. 電源輸入保護(hù)。

• 壓敏電阻R1被連接到靠近電源輸入端口的地。在常規(guī)操作期間，R1的阻抗非常高(兆歐姆)，因此漏電流很低(微安培)。當(dāng)一個(gè)電流浪涌(例如由閃電引起)被感應(yīng)到電源輸入端口時(shí)，壓敏電阻擊穿，微小的電壓變化就會(huì)導(dǎo)致快速的電流變化。在數(shù)十納秒(ns)內(nèi)，壓敏電阻的阻抗顯著下降。這種低阻抗路徑可使得多余的能量浪涌返回到輸入端，這樣就保護(hù)了IC線路。3個(gè)可選的壓敏電阻(R2、R3和R4)也被連接到輸入路徑中，以便在PLC板采用3線配置供電時(shí)提供保護(hù)。這些壓敏電阻的成本一般低于1美元。
• 一個(gè)正溫度系數(shù)電阻PTC1與電源輸入走線串聯(lián)連接。在常規(guī)運(yùn)行期間，PTC1的阻抗非常低，對電路的其余部分沒有影響。當(dāng)電流超出標(biāo)稱值時(shí)，PTC1的溫度和阻抗都會(huì)迅速增加。這種高阻抗模式限制了電流并保護(hù)了輸入電路。當(dāng)電流減少到標(biāo)稱值時(shí)，阻抗就回到標(biāo)準(zhǔn)值。
• 當(dāng)PLC板浮動(dòng)時(shí)，Y電容器C2、C3和C4可抑制共模傳導(dǎo)EMI。這些安全電容器要求具有低阻抗和高耐壓的特性。設(shè)計(jì)人員必須采用具有UL或CAS認(rèn)證的Y電容器，并遵守絕緣強(qiáng)度法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。
• 電感器L1和L2濾掉從電源端口進(jìn)入的共模傳導(dǎo)干擾信號。二極管D1保護(hù)系統(tǒng)不受反向電壓影響。工作電流下規(guī)定了一個(gè)低的正向電壓的通用硅或肖特基二極管可被使用。

模擬輸入保護(hù)：PLC板能夠提供電壓和電流輸入。圖14所示為輸入電路結(jié)構(gòu)。負(fù)載電阻R5被切換進(jìn)電路以實(shí)現(xiàn)電流模式。電阻R6和R7削弱輸出信號。電阻R8設(shè)置AD8220的增益。這些模擬輸入端口會(huì)受到外部終端連接的電涌和靜電放電干擾。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)可提供高效保護(hù)使其免受放電干擾。當(dāng)一個(gè)高能量瞬態(tài)電壓出現(xiàn)在模擬輸入端口時(shí)，TVS在幾納秒內(nèi)從高阻抗降到低阻抗。它能吸收功率高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌信號，并將模擬輸入信號鉗制到一個(gè)預(yù)置電壓，這樣就保護(hù)精密器件免受浪涌損害。TVS的優(yōu)點(diǎn)包括具有快速響應(yīng)時(shí)間、高瞬態(tài)吸收功率、低漏電流、低擊穿電壓誤差，以及小封裝尺寸。

圖14. 模擬輸入保護(hù)。