多片高速ADC和DAC在閉環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用

　　引言

　　在當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，復(fù)雜的控制系統(tǒng)代替人工來(lái)操作不同的機(jī)器和過(guò)程。術(shù)語(yǔ)“自動(dòng)化”指其智能化足以制定正確的過(guò)程決策從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)果的系統(tǒng)。我們這里所說(shuō)的“系統(tǒng)”是指閉環(huán)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)依賴(lài)于輸入至控制器的傳感器數(shù)據(jù)，提供反饋，控制器據(jù)此采取措施。這些措施就是控制器輸出的變化。通過(guò)確保高性能、高可靠性工業(yè)操作，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代化工業(yè)4.0工廠的工業(yè)自動(dòng)化和效率至關(guān)重要。

　　本文討論閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，重點(diǎn)關(guān)注模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的關(guān)鍵角色。文章介紹多片高速ADC和DAC作為控制系統(tǒng)核心的關(guān)鍵作用和性能優(yōu)勢(shì)。最后，我們以MAXREFDES32和MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)為例，介紹隔離電源和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)在工業(yè)閉環(huán)中的應(yīng)用。

　　開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)概覽

　　工業(yè)控制系統(tǒng)可分為兩類(lèi)：開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。

　　開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，不提供來(lái)自于輸出的反饋。因此，控制過(guò)程只受系統(tǒng)輸入的影響。傳統(tǒng)上，電控制系統(tǒng)主要為開(kāi)環(huán)，要求人工調(diào)節(jié)過(guò)程變量，以實(shí)現(xiàn)或維持預(yù)期輸出。典型的自動(dòng)噴灑系統(tǒng)就是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)例子。噴灑器的控制器只知道何時(shí)打開(kāi)閥門(mén)以及何時(shí)將其關(guān)閉，并不利用傳感器檢測(cè)土壤的含水量或者利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)輸入至控制器。所以，即使土壤已經(jīng)濕透或是下雨天，自動(dòng)噴灑系統(tǒng)仍然會(huì)打開(kāi)閥門(mén);只要沒(méi)有人手動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)執(zhí)行其任務(wù)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)：沒(méi)有任何反饋，系統(tǒng)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)其過(guò)程來(lái)更改其輸出。因此，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的剛性、不靈活性使其不適合工業(yè)控制自動(dòng)化應(yīng)用的速度和可變性要求。此外，工廠需要雇傭許多人來(lái)監(jiān)督和管理系統(tǒng)!

　　現(xiàn)在，我們討論一下閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)從傳感器收集反饋信息，并對(duì)其輸出做出相應(yīng)的過(guò)程調(diào)節(jié)，完全自動(dòng)化、無(wú)需人工介入。家庭中帶有溫度監(jiān)控器的暖氣系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)的例子。本例中，設(shè)定的溫度目標(biāo)是系統(tǒng)的輸入，實(shí)時(shí)環(huán)境溫度是系統(tǒng)的反饋。溫度監(jiān)控器中的溫度傳感器將溫度數(shù)據(jù)反饋給控制器。通過(guò)將檢測(cè)的環(huán)境溫度與設(shè)定的溫度目標(biāo)進(jìn)行比較，控制器做出相應(yīng)的決策，決定何時(shí)打開(kāi)/關(guān)閉鍋爐或空調(diào)。

　　高性能閉環(huán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

　　電子閉環(huán)控制系統(tǒng)通常包括三種元素：控制器、反饋信號(hào)輸入(ADC)和輸出執(zhí)行器(DAC)。ADC檢測(cè)并向控制器反饋重要信息。控制器基于反饋信息制定決策，調(diào)節(jié)控制量;向DAC執(zhí)行器發(fā)送信號(hào)，后者處理控制量輸出。ADC和DAC的速度和精度對(duì)閉環(huán)至關(guān)重要。如果控制系統(tǒng)不能足夠快地響應(yīng)故障條件，就可能發(fā)生災(zāi)難性系統(tǒng)故障。

　　模擬輸出的高速和低噪聲性能

　　好的閉環(huán)控制系統(tǒng)要求ADC具有高分辨率、低失真以及快采樣率，以獲得快速、高精度反饋。

　　圖1和2所示為交流信號(hào)的FFT和直流直方圖結(jié)果。交流輸入信號(hào)的快速傅里葉變換(FFT)和直流輸入信號(hào)的直方圖提供了關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能的重要信息。

　　圖1.通道1 (AIN1)的交流FFT，使用板載電源;差分-12V至+12V、20kHz正弦波輸入信號(hào);400ksps采樣率;Blackman-Harris窗;室溫。數(shù)據(jù)來(lái)自于MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)。

　　圖2.通道1 (AIN1)的直流直方圖，使用板載電源;0V直流輸入信號(hào);400ksps采樣率;65，536個(gè)采樣;編碼分散性為6 LSB，98.6%的編碼在三個(gè)中心LSB之內(nèi);標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.664;室溫。數(shù)據(jù)來(lái)自于MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)。