如何優(yōu)化工業(yè)DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文說明如何利用ADAS3022來替換模擬前端(AFE)級，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信號鏈

PLC應(yīng)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(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，例如存在極端溫度和濕度、振動、爆炸化學(xué)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(dāng)遇到具有嚴(yán)重電磁干擾(EMI)的長電纜時(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?？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(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壓、過流和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可能還有國際電工委員會(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。 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(yīng)用，例如自動測試設(shè)備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動化、過程控制、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(gè)單端輸入或四個(gè)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(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，有助于工程師簡化設(shè)計(jì)，同時(shí)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(shí)間，節(jié)省成本。 它使得我們無需對輸入信號進(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。