淺談高性能AO技術(shù)

全球工業(yè)智能化進(jìn)程不斷推進(jìn)，工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)市場(chǎng)也一直備受關(guān)注。本次我們通過(guò)技術(shù)型分銷(xiāo)商世健公司邀請(qǐng)了他們的客戶(hù)，現(xiàn)就職于國(guó)內(nèi)一線工業(yè)自動(dòng)化廠商的硬件工程師李工，來(lái)跟我們探討高性能AO技術(shù)。

李工任職的一線工業(yè)自動(dòng)化廠商是面向自主控制，智慧管理，安全可信，提供以自動(dòng)化控制系統(tǒng)為核心，涵蓋工業(yè)軟件、自動(dòng)化儀表及運(yùn)維服務(wù)的智能制造產(chǎn)品及解決方案。而李工具有7年電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，任控制系統(tǒng)IO技術(shù)構(gòu)架師。具備豐富的模數(shù)混合電路、信號(hào)鏈電路等設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

一、為什么我們需要高性能AO技術(shù)？

隨著自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)正不斷向著更強(qiáng)的性能、更高的可靠性、更智能的適用性的方向升級(jí)。作為控制系統(tǒng)與工業(yè)設(shè)備之間的接口，IO系統(tǒng)也需要不斷升級(jí)性能，以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備的更高的運(yùn)行要求。

工業(yè)控制系統(tǒng)中的AO（Analog Output）設(shè)備是IO系統(tǒng)中的重要組成部件。作為控制系統(tǒng)操作工業(yè)設(shè)備的“手”，AO設(shè)備通過(guò)輸出電壓、電流信號(hào)，決定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，AO設(shè)備的性能決定了控制系統(tǒng)的控制結(jié)果在工業(yè)設(shè)備上的執(zhí)行水平。目前市場(chǎng)上主流的AO設(shè)備支持電流、電壓信號(hào)，信號(hào)精度大致在0.2%~0.5%之間，信號(hào)刷新速度在十幾毫秒到幾十毫秒之間。

AO設(shè)備的驅(qū)動(dòng)對(duì)象不僅包含各種閥門(mén)類(lèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還包括了電機(jī)設(shè)備、電磁設(shè)備、光照設(shè)備等等。某些高端應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)控制精度、速度的要求已經(jīng)超出了市場(chǎng)上的主流AO性能。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，AO設(shè)備和執(zhí)行器之間需要額外的信號(hào)隔離或轉(zhuǎn)換設(shè)備，這就導(dǎo)致了AO輸出性能的下降。為了適配高精度、高速的執(zhí)行器，或降低信號(hào)隔離或轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)系統(tǒng)性能的影響，AO設(shè)備的輸出性能需要進(jìn)一步提升。

二、我們需要什么樣的AO技術(shù)？

從表面上看，我們需要提高AO設(shè)備的信號(hào)精度、刷新速度，但深入分析后，這是個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題。

AO設(shè)備的信號(hào)類(lèi)型常見(jiàn)電壓信號(hào)和電流信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)電壓信號(hào)為0V~5V、1V~5V，標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)電流信號(hào)為0mA~10mA、4mA~20mA，除此外也有一些非標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)范圍。從端口特性上講，電壓信號(hào)輸出要求端口的輸出低阻抗，電流信號(hào)輸出要求端口的輸出高阻抗。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于驅(qū)動(dòng)能力的要求和反饋結(jié)構(gòu)的限制，端口輸出阻抗的設(shè)計(jì)必須要兼顧電壓和電流，這帶來(lái)了一定的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的控制系統(tǒng)常常需要面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境條件，尤其是安裝空間、通風(fēng)條件、環(huán)境溫度。AO設(shè)備的外形設(shè)計(jì)需要盡可能緊湊，就要求AO電路的體積盡量小。小體積、寬溫度的條件下依然保持較高的精度，就需要電路元件具有較低的溫漂，或者盡可能降低AO電路的溫升。

圖1是一個(gè)常見(jiàn)的電壓轉(zhuǎn)電流的AO輸出方案。為了使負(fù)載電流可調(diào)，需要輸出級(jí)三極管的管壓降大范圍變化。在某些的負(fù)載條件下，該三極管的發(fā)熱量會(huì)非常高，若AO設(shè)備的散熱能力不足以抵消該發(fā)熱，DAC、運(yùn)放等部件就會(huì)因較大的溫漂產(chǎn)生較大的精度誤差。

圖1

PLC、DCS設(shè)備中的AO組件往往不止有1路AO輸出。單個(gè)AO組件容納多路AO輸出時(shí)，所面臨的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度、電路規(guī)模與空間矛盾、發(fā)熱等問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。這就導(dǎo)致了AO設(shè)備性能的提升，與AO設(shè)備的可靠性、易用性難以兼得。

總之，高性能AO技術(shù)需要在提升信號(hào)精度和刷新速度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化端口兼容性，提高電路集成度，降低發(fā)熱以及發(fā)熱帶來(lái)的影響。傳統(tǒng)的，基于分立器件設(shè)計(jì)的信號(hào)鏈電路方案難以兼顧各項(xiàng)需求。

三、AD5755方案

ADI公司推出的AD5755較完美的解決了以上問(wèn)題。這款DAC內(nèi)部封裝了4路獨(dú)立的電壓、電流輸出電路，每路可以獨(dú)立地輸出電壓型信號(hào)或電流型信號(hào)。AD5755支持最大±10V和0mA~24mA的信號(hào)范圍，基本涵蓋了工業(yè)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合的全部信號(hào)類(lèi)型。

AD5755為每路AO單元設(shè)計(jì)了一個(gè)BOOST控制器，它的作用是根據(jù)當(dāng)前通道的信號(hào)輸出和負(fù)載條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)AO信號(hào)供電電源的輸出電壓。從上面圖1所舉的例子可以看出，當(dāng)AO輸出供電的電壓值可以根據(jù)輸出反饋調(diào)節(jié)時(shí)，輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)管的管壓降就可以被限制在一個(gè)預(yù)設(shè)的值附近，比如2.4V左右，這時(shí)，驅(qū)動(dòng)管的熱功率就會(huì)變得很低，整個(gè)AO電路中最大的熱源被大大限制了。從發(fā)熱源頭解決問(wèn)題，整個(gè)AO組件的發(fā)熱、散熱情況都會(huì)大大改善。

圖2

AD5755方案將4套DAC、運(yùn)算放大級(jí)、功率放大級(jí)等傳統(tǒng)信號(hào)鏈結(jié)構(gòu)，以及自調(diào)節(jié)電源控制器集成在一個(gè)芯片內(nèi)部，代替了以往采用分立元件設(shè)計(jì)時(shí)，巨大的電路規(guī)模和設(shè)計(jì)工作量。芯片面積僅9mm*9mm，大大減小了電路面積和AO設(shè)備的體積。同時(shí)，自調(diào)節(jié)電源控制器配合AO單元使用，有效地解決了電路發(fā)熱帶來(lái)的溫漂、老化問(wèn)題。進(jìn)一步提高了信號(hào)精度的環(huán)境適應(yīng)性和電路的可靠性。

根據(jù)ADI的官方手冊(cè)，AD5755可以實(shí)現(xiàn)0.05%的基本精度，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間低至十幾到幾十微秒，在精度和速度指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。是下一代高性能AO系統(tǒng)的理想解決方案。

除了精度、速度等重要指標(biāo)外，面向智能化儀表需求，AD5755還具有HART信號(hào)調(diào)制輸入功能。我們只需要增加獨(dú)立的HART Modem，將HART信號(hào)輸入AD5755的CHART管腳，就可以在Iout端直接輸出帶HART通訊的電流信號(hào)。

在使用AD5755設(shè)計(jì)AO設(shè)備時(shí)，只需要將工作重點(diǎn)放在對(duì)該芯片的防護(hù)上。我們可以在端口上增加RC、LC、磁珠、TVS、自復(fù)位保險(xiǎn)絲等必要的保護(hù)電路，就可以大大提高系統(tǒng)的耐受能力。下圖給出了一個(gè)較為通用的保護(hù)方案，僅供讀者參考。

圖3

通過(guò)傳統(tǒng)方案和AD5755方案的對(duì)比，我們不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的基于電子元器件+PCB的工藝方法有其自身的瓶頸。在傳統(tǒng)工藝框架下很難突破的瓶頸，在先進(jìn)工藝（如MEMS或Chip等）方案面前迎刃而解。我們期待未來(lái)市場(chǎng)上可以涌現(xiàn)出更多的高集成化的芯片解決方案或模塊解決方案，以提供給我們更強(qiáng)的性能、更高的可靠性、更智能的適用性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源。