PLC系統(tǒng)模擬輸入輸出發(fā)展趨勢及設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

PLC自20世紀(jì)70年代后期進(jìn)入中國后，已然經(jīng)過了三十多年的長足發(fā)展。不知正在閱讀文章的各位，是否還記得您參與設(shè)計(jì)的第一款PLC電路?現(xiàn)如今，PLC及DCS仍然在工控領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用，并且正在朝著模塊更小、速度更快、通道密度更高的方向發(fā)展。

以PLC機(jī)架插槽的典型I/O卡為例，目前常見的8通道模塊尺寸一般為90mm×70mm×23.5mm，但在市場需求驅(qū)動(dòng)下，名片大小的產(chǎn)品已經(jīng)問世。通道密度或數(shù)量的增加不僅能提升模塊功能，而且可以增加產(chǎn)品價(jià)格競爭力，自然大受歡迎。但是，如何降低模塊尺寸?如何在滿足上述需求的同時(shí)解決由此產(chǎn)生的自熱問題?如何進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)?這些，也都是PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)面對的實(shí)際問題。

ADI過程控制系列之《工業(yè)現(xiàn)場環(huán)路供電儀器儀表的四大關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)》一文，已就現(xiàn)場儀器儀表/變送器的設(shè)計(jì)需求和挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入分析，作為該篇文章的姊妹篇，本文將著重關(guān)注PLC/DCS系統(tǒng)中的模擬輸入輸出部分的發(fā)展趨勢。這里會將輸入和輸出模塊區(qū)分開來，就其不同的系統(tǒng)要求進(jìn)行分別探討，并著重介紹ADI能夠支持這些要求的最新優(yōu)勢產(chǎn)品和解決方案。

多通道全集成模擬輸出解決方案

模擬輸出講究的是集成、能效和性能。首先，模塊尺寸要小。目前，設(shè)計(jì)人員早已通過在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中選用0402封裝電阻電容以及LFCSP封裝IC，達(dá)到減少電路板尺寸的目的。與此同時(shí)，每個(gè)模塊的功耗也由曾經(jīng)的5W-10W，發(fā)展到了如今的3W-5W，未來勢必降至更低。在這方面，一些設(shè)計(jì)人員通過犧牲設(shè)計(jì)規(guī)格來滿足功耗預(yù)算，此法雖然能達(dá)到降低功耗的目的，但勢必也會導(dǎo)致產(chǎn)品競爭力下降，因此并不推薦。

其次，通道密度要增加，由原來的4通道、8通道增加至現(xiàn)在的12甚至16通道。眾所周知，空間不變而通道密度增加，會顯著提升模塊的環(huán)境溫度，在某些情況下，高達(dá)100攝氏度的系統(tǒng)環(huán)境溫度并不罕見，而這本身卻會對最高IC結(jié)溫造成挑戰(zhàn)。而且，通道密度的增加還意味著元件數(shù)量以及功耗的增加，這也從另一方面要求設(shè)計(jì)人員在選擇元件時(shí)，要尺寸更小、靜態(tài)電流更低而且效率更高。

第三，速度，即建立時(shí)間要提高，從而實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。目前，模擬輸出通道建立的時(shí)間已經(jīng)降低至20μs，但依然在向更高效率發(fā)展。

第四，工藝安全要求也要提高，系統(tǒng)要引入安全完整性等級(SIL)來提高診斷性以及穩(wěn)定性。

ADI多年來深耕工業(yè)控制領(lǐng)域，其提供的模擬輸出解決方案從最初的“四通道DAC+外部增益放大器”式全分立方案，發(fā)展到“四通道DAC+四個(gè)外部驅(qū)動(dòng)器”式半集成方案，再到后來的單通道全集成式解決方案，以及最新的多通道全集成式解決方案，其中涉及AD566x、AD5750、AD5422等多款工程師耳熟能詳?shù)男酒a(chǎn)品。

圖1：工業(yè)輸出的創(chuàng)新發(fā)展歷程

圖1所示為ADI工業(yè)輸出產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展歷程。以現(xiàn)在的眼光來看，早期的分立設(shè)計(jì)方案毫無疑問存在很多缺陷：器件數(shù)量過多造成系統(tǒng)復(fù)雜、電路板尺寸過大以及成本過高;多個(gè)器件導(dǎo)致誤差度隨著不同極性系數(shù)變化，從而造成總誤差難以計(jì)算;無法提供短路監(jiān)測/保護(hù)或任何故障診斷;不包括許多工業(yè)控制模塊中所必須的電壓輸出等。

正因如此，集成式解決方案毫無疑問更勝一籌。例如AD5422/AD5412單通道16位/12位4mA～20mA和電壓輸出DAC，就是一款易于部署的解決方案，其緊湊型的封裝中集成多種功能，提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，Iout范圍為0/4mA～20 mA以及0 mA～24 mA;Vout范圍為0 V～5 V、0 V～10 V、±5 V、±10 V和10%超量程，可以有效簡化工廠過程控制和工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

AD5755則是一款四通道16位4 mA～20 mA和電壓輸出DAC，除了將AD5422的單通道增加到四通道外，該產(chǎn)品還增加了動(dòng)態(tài)功率控制功能，這也是業(yè)內(nèi)首款具備動(dòng)態(tài)功率控制功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。新功能不但有利于節(jié)能，而且還可以增強(qiáng)過程控制I/O系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

圖2：(左)系統(tǒng)輸出的常見架構(gòu)圖 ，(右)帶動(dòng)態(tài)功率控制的系統(tǒng)輸出

圖2(左)為系統(tǒng)輸出最常見的架構(gòu)。假設(shè)通道配置為4mA～20mA通信，DAC需要驅(qū)動(dòng)一個(gè)執(zhí)行器負(fù)載，所以執(zhí)行器的端接電阻決定環(huán)路所需的最大電源電壓。如今的系統(tǒng)必須能夠驅(qū)動(dòng)最高達(dá)(有時(shí)甚至超過)1 kΩ的負(fù)載，這是很常見的要求。對于這一負(fù)載阻抗和20 mA 的滿量程電流，電源需要提供至少20V電壓。如果考慮到DAC的電源裕量，電源可能升至24V。再考慮到輸出級的功率調(diào)節(jié)，輸出級電壓較好的估計(jì)值為28V。

短路有可能是真實(shí)存在的條件，這主要是由于ADC模塊可通過低至20歐的電阻值端接，以便檢測。因此這樣一來，8通道模塊僅模擬部分的功耗就可能高于4W，再加上DC-DC級的功耗，如果以80%的效率來計(jì)算的話，僅模擬部分的功耗就將大于6W。這種情況下，自熱效應(yīng)和功耗預(yù)算的提高開始成為問題。模塊內(nèi)的溫度升高可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大，各個(gè)器件的漂移特性需要納入系統(tǒng)整體的誤差預(yù)算中加以考慮。

一種有助于解決此問題的方法是從5V電源入手，在內(nèi)部使用開關(guān)電源，根據(jù)輸出負(fù)載情況智能且自動(dòng)地對MOS管上端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就是ADI專有的動(dòng)態(tài)功率控制解決方案。該方案可以檢測輸出負(fù)載，然后在負(fù)載變化或編程電流變化時(shí)，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地升高輸出順從電壓，如圖2(右)所示，只需在片內(nèi)集成DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器即可。

采用5V標(biāo)稱電源運(yùn)行DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，輸出端的最低調(diào)節(jié)電壓約為7V，而最高電源電壓可超過30V，具體取決于需求。注意，這種情況下，需要再次考慮零負(fù)載條件，這是電流輸出的一種有效條件。圖2(右)的實(shí)際結(jié)果表明，在部署動(dòng)態(tài)功率控制時(shí)，每加入一個(gè)DC-DC可讓每個(gè)通道的獨(dú)立功耗降至最低。在8個(gè)通道發(fā)生短路的情況，DC-DC將輸出調(diào)節(jié)為7.5 V，從而限制了片內(nèi)功耗和模塊功耗。假設(shè)DC-DC隔離級效率仍為80%，使用動(dòng)態(tài)功率控制的8通道模塊總功耗則降至3W。

圖3很清楚地表明了DC-DC控制啟用前和啟用后片內(nèi)溫度的對比。其中粉色為不啟用DC-DC控制的情形，溫升超過200度;藍(lán)色為啟用后的情形，溫升只有五六十度。事實(shí)證明，通過使用動(dòng)態(tài)功率控制功能，設(shè)計(jì)人員不僅可以確保器件自我保護(hù)，而且可以將模塊內(nèi)的功耗降至較低水平。

圖3：其中DC-DC調(diào)節(jié)功能后，片內(nèi)芯片溫度大幅降低

那么，加入片內(nèi)DC-DC將會產(chǎn)生多少紋波?特別是考慮到后置調(diào)節(jié)階段不使用LDO時(shí)，這樣做對系統(tǒng)性能有何影響?事實(shí)上，AD5755電路設(shè)計(jì)時(shí)用到了DC-DC抑制元件，出于完整性考慮，還添加了可選低通RC濾波器，充當(dāng)一階抗混疊濾波器。實(shí)驗(yàn)證明，紋波幅度與建立時(shí)間和輸出電容之間存在權(quán)衡關(guān)系。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在使用該產(chǎn)品時(shí)，必須首先確定系統(tǒng)可以容許的紋波大小情況。

模擬輸入的關(guān)鍵：更佳穩(wěn)定性和高速高性能ADC

與模擬輸出相比，模擬輸入發(fā)展更為強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及高速、高性能的ADC內(nèi)核，其中穩(wěn)定性包括過壓保護(hù)和更佳的50 Hz/60 Hz抑制等。

在PLC/DCS模擬輸入端，我們通常需要調(diào)理和轉(zhuǎn)換兩類電壓，一類是輸入范圍包含±10V 的雙極性電壓，一類是0-10V的單極性電壓。在將這些信號送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換前，我們需要至少在信號輸入和ADC輸入間放置一個(gè)運(yùn)算放大器作為緩沖器?？紤]到系統(tǒng)所追求的電壓穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)，ADI具有過壓保護(hù)功能的微功耗RRIO(軌到軌輸入/輸出)運(yùn)算放大器ADA4096-x非常適合此類應(yīng)用。

ADA4096-x的特點(diǎn)可以濃縮為幾個(gè)關(guān)鍵詞：32V、RRIO、精密、μPower以及過壓保護(hù)(OVP)。其內(nèi)部輸入過壓保護(hù)，最多可以超出供電軌±32V，放大器都不會損壞。此特性對存在電源時(shí)序控制問題的應(yīng)用特別重要，該問題可導(dǎo)致信號源在放大器上電之前加入。

放大器過壓保護(hù)有不同的方案，其中最為簡單的就是內(nèi)置靜態(tài)放電(ESD)保護(hù)，很多基本的二極管保護(hù)電路都采用此方法，但是強(qiáng)壯型較差。此外，差分二極管以及外部二極管保護(hù)，由于成本較低也被廣泛使用，但存在本身的漏電流和寄生電容對放大器產(chǎn)生影響等問題。

表1：各種內(nèi)部和外部OVP解決方案對比

從表1中ADI OVP解決方案的電路圖中可以看出，ADA4092-x有兩個(gè)不同的ESD電路，用于增強(qiáng)其過壓保護(hù)功能。其中一個(gè)電路是一個(gè)5kΩ的串聯(lián)電阻，連接至內(nèi)部輸入端和從內(nèi)部輸入端到供電軌的二極管(D1和D2;D5和D6)。另一個(gè)保護(hù)電路為連接至供電軌的兩個(gè)DIAC(D3和D4;D7和D8)，DIAC可以看作是帶傳遞特性的雙向齊納二極管。對于最差條件設(shè)計(jì)分析，可考慮兩種情況：從內(nèi)部運(yùn)算放大器輸入端到供電軌，ADA4092-x采用正常的ESD結(jié)構(gòu);從外部輸入端到供電軌，則采用42 V DIAC。

除上述集成式OVP解決方案外，ADA4096-x還具有軌到軌輸入/輸出擺幅的特性。此外，該產(chǎn)品功耗很低，每個(gè)運(yùn)算放大器的典型值只有60μA，只要保證在其電壓工作范圍3V至30V之間，這也使得它非常適合于電池供電或監(jiān)控電池供電情況。其單位增益帶寬為800kHz(Vsy = ±15V時(shí)的典型值)，會隨著電壓下降而有所降低。低失調(diào)電壓的典型值也只有35μV。與同類產(chǎn)品相比，ADA4096-x具有競爭產(chǎn)品的2倍帶寬、1/2 Vos、1/3TcVos及1/2Vn。該器件提供業(yè)內(nèi)最高水平的過壓保護(hù)，可以在要求嚴(yán)苛的工業(yè)與儀器儀表應(yīng)用中穩(wěn)定工作。

圖4：連接到SDP板的EVAL-CN0241-SDPZ評估板

圖4為ADI公司針對ADA4096-x輸入過壓保護(hù)的高端電流檢測實(shí)驗(yàn)。

具有靈活濾波器選項(xiàng)的24位Σ-Δ型ADC

在工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)測量來自熱電偶、應(yīng)變計(jì)以及橋式壓力傳感器的低電平信號時(shí)，通常需要差分輸入信號，以抑制來自電機(jī)、交流電力線，或其他的噪聲源(這些噪聲源將噪聲引入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端)的共模干擾信號。

對于輸入模塊而言，Σ-Δ型ADC是最受歡迎的選擇，因?yàn)樗鼈兡芴峁└呔燃胺直媛?。此外，其?nèi)置的可編程增益放大器(PFG)可以精確測量小的輸入信號。AD7176-2是ADI今年最新發(fā)布的24位Σ-Δ型ADC，在其內(nèi)部濾波器設(shè)計(jì)方面，采用了最新的方法和思路。

圖5：AD7176數(shù)字濾波器功能框圖

如圖5所示，AD7176-2有三個(gè)靈活的濾波器選項(xiàng)，支持對噪聲、建立時(shí)間和抑制性能進(jìn)行優(yōu)化。最新的Sinc5+Sinc1濾波器部分，主要用于快速切換多路復(fù)用應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)建立時(shí)間最快的快速通道切換，使通道掃描速率達(dá)到最大。Sinc5模塊輸出固定在250kSPS的最大速率，Sinc1模塊的輸出數(shù)據(jù)速率可變，從而控制最終ADC輸出數(shù)據(jù)速率。

Sinc3濾波器在較低速率時(shí)可實(shí)現(xiàn)最佳單通道噪聲性能，因此最適合單通道應(yīng)用，可以使單通道、低速應(yīng)用的分辨率達(dá)到最高。

增強(qiáng)型50 Hz和60 Hz抑制濾波器，旨在提供50 Hz和60 Hz同時(shí)抑制，并且允許以犧牲通道開關(guān)速率的代價(jià)換取抑制性能。這些濾波器是市面上最快的50 Hz/60 Hz抑制產(chǎn)品，可以最高27.27SPS的速率工作，或者可以抑制最高90 dB的50 Hz ± 1 Hz和60 Hz ± 1 Hz干擾。這些濾波器是通過對Sinc5 + Sinc1濾波器輸出進(jìn)行后濾波實(shí)現(xiàn)的。因此，使用增強(qiáng)型濾波器時(shí)，必須選擇Sinc5 + Sinc1濾波器。

AD7176-2的可編程功能通過SPI串行接口執(zhí)行，具有校驗(yàn)和模式，可用來提高接口的魯棒性。CRC校驗(yàn)和在讀寫操作下都可工作，除了能夠有效防止SPI通信錯(cuò)誤外，還可以在內(nèi)部對ADC配置進(jìn)行校驗(yàn)，從而增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

這里值得一提的是：AD7176-2前端集成交叉點(diǎn)多路復(fù)用器，可以通過選擇不同輸入引腳來配置偽差分或全差分輸入對，從而將任何模擬輸入組合作為要轉(zhuǎn)換的輸入信號，并將其路由至調(diào)制器正或負(fù)輸入。這樣一來，AD7176-2就可以實(shí)現(xiàn)通道間的差分，從而大大提高其靈活性，這也是AD717x系列優(yōu)于較早前的AD719x和AD779x產(chǎn)品的一個(gè)地方。

除此之外，AD7176-2還包括很多其他的優(yōu)勢：可以靈活設(shè)置輸出速率，最高速率可高達(dá)250KSPS;在最高速率下，擁有17.2位的無噪聲分辨率;最大通道掃描數(shù)據(jù)速率為50kSPS，建立時(shí)間為20μs，而且在此掃描速率下，仍可以得到17位無噪聲分辨率;INL僅為全量程的2.5ppm;內(nèi)部集成2.5V基準(zhǔn)和振蕩器，減少了外部元件數(shù);系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差，可針對各個(gè)通道進(jìn)行校正，這種各通道可配置能力，適用于每一通道所用的濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率。

ADI采用AD7176-2設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)室電路——CN0310，用于工業(yè)級信號的24位、250kSPSΣ-Δ ADC系統(tǒng)，為工業(yè)級信號采集提供了快速、高精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果，具體的設(shè)計(jì)資源，可以在ADI的官網(wǎng)上獲取(詳情參考：http://www.analog.com/cn0310)。AD7176-2同時(shí)還提供了評估板套件，用戶只需通過PC上的評估板軟件，即可直接控制AD7176-2，評估板需要與SDP系統(tǒng)驗(yàn)證平臺聯(lián)合使用。

圖6：CN0310——用于工業(yè)信號電平的精密24位、250 kSPS,單電源∑-△型ADC系統(tǒng)

除上述介紹的產(chǎn)品和解決方案外，ADI針對PLC/DCS應(yīng)用最新推出了一些產(chǎn)品參考設(shè)計(jì)，其中包括適用于電壓、電流、溫度(熱電偶+RTD)輸入的隔離式單通道通用模擬輸入模塊CN0325，以及支持HART且適合通道間隔離系統(tǒng)的單通道模擬輸出演示板CN0321。