如何優(yōu)化工業(yè)DAQ系統(tǒng)設計？

　　可編程邏輯控制器(PLC)是很多工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)的核心，可監(jiān)控和控制復雜的系統(tǒng)變量。 基于PLC的系統(tǒng)采用多個傳感器和執(zhí)行器，可測量和控制模擬過程變量，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、煉油廠、醫(yī)療設備和航空航天系統(tǒng)，它們需要很高的精度，還要保持穩(wěn)定的長時間工作。 此外，激烈的市場競爭形勢要求必須降低成本和縮短設計時間。 因此，工業(yè)設備和關鍵基礎設施的設計人員在滿足客戶對精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴格要求方面遇到了嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　本文說明如何利用ADAS3022來替換模擬前端(AFE)級，從而降低復雜性，解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計中遇到的諸多難題。 這種高性能器件具有多個輸入范圍，非常適合高精度工業(yè)、儀器、電力線和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集卡應用，可以降低成本和加快產(chǎn)品面市，同時占用空間很小，易于使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

　　圖1. 典型PLC信號鏈

　　PLC應用示例

　　圖1顯示在工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)中使用PLC的簡化信號鏈。 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)應用中，模擬輸入模塊可獲取和監(jiān)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、爆炸化學物品的環(huán)境。 典型信號包括具有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。 當遇到具有嚴重電磁干擾(EMI)的長電纜時，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?zhí)行器，例如繼電器、電磁閥和閥門等，以形成完整自動化控制系統(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、4個、8個或16個通道。 為滿足嚴格行業(yè)標準，這些模塊需要提供過壓、過流和EMI浪涌保護。 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可能還有國際電工委員會(IEC)標準規(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自動執(zhí)行多個控制任務，利用實時信息訪問進行智能決策。 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2所示電路是一款高度集成、16位、1 MSPS、多路復用、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)級信號。 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用，例如自動測試設備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動化、過程控制、病人監(jiān)護以及其他工業(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)采集解決方案簡化原理圖

　　ADAS3022可經(jīng)配置用于測量最多八個單端輸入或四個差分對。 七種雙極性輸入范圍可處理各種工業(yè)信號電平(±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(±2 LSB INL最大值、±0.5 LSB DNL典型值)。 對于高精度應用，這款緊湊、經(jīng)濟型電路可以提供高精度和低噪聲性能。 經(jīng)低功耗運算放大器AD8031緩沖后的低噪聲基準電壓源ADR434提供基準電壓。

　　這個完整傳感器數(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，有助于工程師簡化設計，同時減小高級工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時間，節(jié)省成本。 它使得我們無需對輸入信號進行緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或其他調(diào)理，也消除了我們對共模抑制、噪聲和建立時間的擔憂，還解決了與設計高精度16位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關的諸多難題。

　　ADP1613配置為SEPIC轉(zhuǎn)換器

　　ADP1613用作單端初級原邊電感(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。 本應用中，ADP1613的開關頻率為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86%的效率，因此它能滿足ADAS3022的規(guī)格要求。在該拓撲中使用低成本ADP1613的最大優(yōu)勢，是它在兩條供電軌之間的出色跟蹤能力，同時使用現(xiàn)成的耦合電感可產(chǎn)生±15 V電壓。 除此之外，還能通過ADIsimPower設計工具輕松快捷地完成設計制造。

　　圖3. ADP1613的效率(POUT/PIN)與輸出電流(IOUT)的關系

　　圖2所示電路采用ADP161x SEPIC-Cuk可下載設計工具中的下列輸入進行設計，ADIsimPower提供該設計工具。 利用ADIsimPower設計工具可進行完全定制設計，并通過單個控制器的低成本SEPIC-Cuk拓撲快速創(chuàng)建穩(wěn)定的雙路供電軌。

　　測試設置的功能框圖如圖4所示。ADP1613評估板由外部+5 V電源驅(qū)動，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。 運行交流測試時，采用Audio Precision SYS-2702產(chǎn)生低失真輸入信號。

　　圖4. 測試設置功能框圖

　　圖5顯示的是ADAS3022工作在1 MSPS，并對其中一個通道施加20 Vp-p、20kHz輸入信號時的典型動態(tài)性能。 試驗中，分別采用線性±15 V臺式電源和ADP1613評估板的±15 V輸出驅(qū)動ADAS3022， 未觀察到有交流或直流性能的差異。

　　圖5. 使用EVAL-CED1Z評估板和軟件的ADAS3022 FFT輸出

　　結(jié)論

　　下一代工業(yè)PLC模塊需要高精度、可靠運行和功能靈活性，所有這些特性都必須通過外形小巧的低成本產(chǎn)品提供。 ADAS3022具有業(yè)界領先的集成度和性能，支持廣泛的電壓和電流輸入，以便處理工業(yè)自動化和過程控制的各種傳感器信號。 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，同時滿足更加嚴苛的用戶要求。