基于完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案

　　簡介

　　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(fù)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(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(shè)計時間。因此，工業(yè)設(shè)備和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計人員在滿足客戶對精度、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)。本文以PLC應(yīng)用為例，說明多功能、低成本的高度集成 ADAS3022如何通過更換模擬前端(AFE)級，降低復(fù)雜性、解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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。

　　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，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(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模塊可以對每通道的對單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率單獨(dú)進(jìn)行軟件編程。

　　在現(xiàn)代PLC中，CPU自動執(zhí)行多個控制任務(wù)，利用實(shí)時信息訪問進(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1. 典型PLC信號鏈

　　分立式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案

　　工業(yè)設(shè)計人員可以使用分立式高性能組件，為PLC或類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建模擬模塊，如圖2所示。主要設(shè)計考慮因素包括輸入信號配置、整體系統(tǒng)速度、精度和精確性。此處所示的信號鏈采用ADG1208/ADG1209低泄漏多路復(fù)用器、 AD8251快速建立可編程增益儀表放大器(PGIA)、 AD8475高速漏斗放大器AD7982差分輸入18位PulSAR®ADC和 ADR4550超低噪聲基準(zhǔn)電壓源。這種解決方案提供四個不同增益范圍，但在±10 V的最大輸入信號的情況下，設(shè)計人員必然會擔(dān)心多路復(fù)用器的切換和建立時間，以及其他模擬信號調(diào)理問題。此外，在1 MSPS速率下實(shí)現(xiàn)真正的16位性能可能是一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即便在使用這些高性能器件時也是如此。

　　AD7982具有滿量程階躍的290 ns瞬態(tài)響應(yīng)性能。因此，要在1 MSPS速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時保證指定性能，PGIA和漏斗放大器必須在710 ns時間內(nèi)建立。但是，AD8251針對10 V階躍達(dá)到16位轉(zhuǎn)換精度(0.001%)的建立時間為785ns,因此該信號鏈的保證最大吞吐率將小于1 MSPS.

　　圖2. 使用分立式元件的模擬輸入信號鏈

　　集成式解決方案簡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　16位1 MSPS ADAS3022數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IC采用專有高壓工業(yè)工藝技術(shù)iCMOS®制造，集成8通道、低泄漏多路復(fù)用器;高阻抗PGIA (具有高共模抑制);高精度低漂移4.096 V基準(zhǔn)電壓源和緩沖器;16位逐次逼近型ADC.如圖3所示。

　　圖3. ADAS3022功能框圖

　　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，有助于工程師簡化設(shè)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(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、噪聲和建立時間的擔(dān)憂，還解決了與設(shè)計高精度16位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的諸多難題。它可在1 MSPS速率下(典型 SNR為91 dB)提供同類最佳的16位精度(典型INL為±0.6 LSB)、低失調(diào)電壓、低溫度漂移和優(yōu)化噪聲性能，如圖4所示。該器件的額定溫度范圍為-40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。