如何優(yōu)化工業(yè)DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)？

　　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(tǒng)的核心，可監(jiān)控和控制復(fù)雜的系統(tǒng)變量。 基于PLC的系統(tǒng)采用多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，可測(cè)量和控制模擬過(guò)程變量，例如壓力、溫度和流量。 PLC廣泛應(yīng)用于眾多不同應(yīng)用，例如工廠、煉油廠、醫(yī)療設(shè)備和航空航天系統(tǒng)，它們需要很高的精度，還要保持穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間工作。 此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)要求必須降低成本和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。 因此，工業(yè)設(shè)備和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)人員在滿足客戶對(duì)精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴(yán)格要求方面遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　本文說(shuō)明如何利用ADAS3022來(lái)替換模擬前端(AFE)級(jí)，從而降低復(fù)雜性，解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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、電力線和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)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(hào)鏈

　　PLC應(yīng)用示例

　　圖1顯示在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制系統(tǒng)中使用PLC的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈。 PLC通常包括模擬和數(shù)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(yīng)用中，模擬輸入模塊可獲取和監(jiān)控惡劣環(huán)境中的遠(yuǎn)程傳感器信號(hào)，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(hào)包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿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(dāng)遇到具有嚴(yán)重電磁干擾(EMI)的長(zhǎng)電纜時(shí)，通常使用電流環(huán)路，因?yàn)樗鼈儽旧砭哂辛己玫目箶_度。

　　模擬輸出模塊通常控制執(zhí)行器，例如繼電器、電磁閥和閥門等，以形成完整自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 它們通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿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。 為滿足嚴(yán)格行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些模塊需要提供過(guò)壓、過(guò)流和EMI浪涌保護(hù)。 大多數(shù)PLC包括ADC和CPU之間、CPU和DAC之間的數(shù)字隔離。 高端PLC可能還有國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(xiàn)代PLC中，CPU自動(dòng)執(zhí)行多個(gè)控制任務(wù)，利用實(shí)時(shí)信息訪問進(jìn)行智能決策。 CPU可能包含高級(jí)軟件和算法以及Web連接，用于差錯(cuò)校驗(yàn)診斷和故障檢測(cè)。 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(fù)用、8通道、靈活的數(shù)字采集系統(tǒng)(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(jí)信號(hào)。 這種高集成度可以節(jié)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(yīng)用，例如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制、病人監(jiān)護(hù)以及其他工業(yè)和儀表系統(tǒng)，它們都采用±10 V的工業(yè)信號(hào)電平工作。

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

　　ADAS3022可經(jīng)配置用于測(cè)量最多八個(gè)單端輸入或四個(gè)差分對(duì)。 七種雙極性輸入范圍可處理各種工業(yè)信號(hào)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(zhuǎn)換器產(chǎn)生±15 V電壓，可處理最高±24.576 V的差分輸入信號(hào)(±2 LSB INL最大值、±0.5 LSB DNL典型值)。 對(duì)于高精度應(yīng)用，這款緊湊、經(jīng)濟(jì)型電路可以提供高精度和低噪聲性能。 經(jīng)低功耗運(yùn)算放大器AD8031緩沖后的低噪聲基準(zhǔn)電壓源ADR434提供基準(zhǔn)電壓。

　　這個(gè)完整傳感器數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)，同時(shí)減小高級(jí)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時(shí)間，節(jié)省成本。 它使得我們無(wú)需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或其他調(diào)理，也消除了我們對(duì)共模抑制、噪聲和建立時(shí)間的擔(dān)憂，還解決了與設(shè)計(jì)高精度16位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的諸多難題。

　　ADP1613配置為SEPIC轉(zhuǎn)換器

　　ADP1613用作單端初級(jí)原邊電感(SEPIC) Cuk轉(zhuǎn)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(yīng)用中，ADP1613的開關(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(shù)目，并且具有超過(guò)86%的效率，因此它能滿足ADAS3022的規(guī)格要求。在該拓?fù)渲惺褂玫统杀続DP1613的最大優(yōu)勢(shì)，是它在兩條供電軌之間的出色跟蹤能力，同時(shí)使用現(xiàn)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(shè)計(jì)工具輕松快捷地完成設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工具中的下列輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，ADIsimPower提供該設(shè)計(jì)工具。 利用ADIsimPower設(shè)計(jì)工具可進(jìn)行完全定制設(shè)計(jì)，并通過(guò)單個(gè)控制器的低成本SEPIC-Cuk拓?fù)淇焖賱?chuàng)建穩(wěn)定的雙路供電軌。

　　測(cè)試設(shè)置的功能框圖如圖4所示。ADP1613評(píng)估板由外部+5 V電源驅(qū)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(wěn)壓器提供ADAS3022板所需的5 V電源。 運(yùn)行交流測(cè)試時(shí)，采用Audio Precision SYS-2702產(chǎn)生低失真輸入信號(hào)。

　　圖4. 測(cè)試設(shè)置功能框圖

　　圖5顯示的是ADAS3022工作在1 MSPS，并對(duì)其中一個(gè)通道施加20 Vp-p、20kHz輸入信號(hào)時(shí)的典型動(dòng)態(tài)性能。 試驗(yàn)中，分別采用線性±15 V臺(tái)式電源和ADP1613評(píng)估板的±15 V輸出驅(qū)動(dòng)ADAS3022， 未觀察到有交流或直流性能的差異。

　　圖5. 使用EVAL-CED1Z評(píng)估板和軟件的ADAS3022 FFT輸出

　　結(jié)論

　　下一代工業(yè)PLC模塊需要高精度、可靠運(yùn)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(hào)。 ADAS3022是PLC模擬輸入模塊和其他數(shù)據(jù)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(tǒng)具有與眾不同的特性，同時(shí)滿足更加嚴(yán)苛的用戶要求。