可編程邏輯控制(PLC)是一種基于計算機的緊湊的電子系統(tǒng)，它使用數字或者模擬輸入/輸出模塊來控制機器、工藝和其他控制模塊。PLC能夠接收(輸入)和發(fā)送(輸出)各種不同類型的電氣和電子信號，并利用它們來控制和監(jiān)測幾乎任何一種機械和/或電氣系統(tǒng)。PLC可以按照所能提供的I/O功能來分類。例如，一個nano PLC具備的I/O數少于32路，一個micro PLC的I/O數在32和128路之間，而小型PLC的I/O數則達到了128～256，其余依此類推。圖1描繪典型的PLC系統(tǒng)。
圖1 PLC系統(tǒng)架構，示出了各種不同的I/O模塊功能
PLC系統(tǒng)包含輸入模塊、輸出模塊和輸入/輸出模塊。因為許多輸入和輸出都涉及現實世界中的模擬變量——而控制器是數字式的—PLC系統(tǒng)硬件設計任務將主要圍繞如下方面展開：數模轉換器(DAC)、模數轉換器(ADC)、輸入和輸出信號調理、輸入/輸出模塊的電氣連線與控制器之間以及模塊相互之間的隔離問題。
I/O模塊的分辨率范圍從12位到16位，在整個工業(yè)級溫度范圍的精度為0.1%。模擬輸出電壓范圍通常為±5V、±10V或者0V~5V、0V~10V，電流范圍為4~20mA或0~20mA。對DAC的穩(wěn)定時間要求，從10ms一直到100ms，具體則取決于應用的實際要求。模擬輸入范圍廣泛，由電橋傳感器輸出的±10mV微弱電壓信號;也有電機控制器±10V的電壓信號，或者工業(yè)過程控制系統(tǒng)的4~20mA電流。轉換時間則取決于所要求的精度和所選用的ADC架構，從10SPS到幾百KSPS。
數字隔離器、光耦隔離器或者電磁隔離器用來將系統(tǒng)現場的ADC、DAC和信號調理電路與數字端的控制器隔離開來。如果模擬端的系統(tǒng)也必須實現充分隔離的話，在輸入或者輸出的每個通道必須采用轉換器以便最大限度提高通道間的隔離度—電源的隔離也是必需的。
iCMOS 工藝
iCMOS技術是一種新型的高性能制造工藝，它將高壓的集成電路與亞微米級CMOS和互補雙極型工藝融為一體，在PLC設計的輸入、輸出部分所使用。
iCMOS技術使得單芯片的設計能夠融合5V CMOS并實現其與電壓更高的(16、24或者30V)CMOS電路的匹配——于是同一塊芯片將擁有多路不同電壓的電源。由于能夠如此靈活地將各種元件和工作電壓集成到一起，亞微米的iCMOS 器件具有更高的性能，其集成的功能更多，而功耗更低——而且所需要的電路板面積大大小于前幾代高壓產品。其中的雙極型工藝為ADC、DAC和低失調放大器提供了精確的基準源，出色的匹配特性和高度的穩(wěn)定性。
薄膜電阻具有高達12位的初始匹配特性，經過修調后可以實現16位的匹配，溫度和電壓系數與傳統(tǒng)的多晶硅的電阻相比，改善了20倍，是高準確度、高精度的數模轉換器的理想選擇。片上的薄膜熔斷器使得高精度轉換器的積分非線性、偏置和增益等性能可以用數字化的技術來校準。
PLC 輸出模塊
PLC系統(tǒng)的模擬輸出——通常用于控制工業(yè)環(huán)境中的執(zhí)行器、閥和電機——使用了標準的模擬輸出范圍，如±5、±10V、0V～5V、0V～10V、4～20mA或者0～20mA。模擬輸出的信號鏈常常包括了數字隔離——將控制器的數字輸出與DAC和模擬信號調理部分隔離開來。在數字化隔離的系統(tǒng)中所使用的轉換器主要使用3線或者4線串行接口來最大限度減小所要求的數字隔離器或者光耦隔離器的數量。
PLC系統(tǒng)的模擬輸出模塊通常采用兩種架構：每個通道一個DAC的架構和每個通道一個采樣保持器的架構。第一種架構中，每個通道使用一個專用的DAC來產生模擬控制電壓或者電流?，F在有許多多通道DAC可供選擇，在空間占用上更少，通道單位成本更低，但那些需要通道相互隔離的往往采用了單通道DAC架構。圖2是每通道使用一個DAC的典型配置。這種最簡單DAC是低壓單電源型的，采用2.5V~5.5V電源供電，輸出范圍是0~VREF，輸出信號經過調理后可以產生所需的任意電壓或者電流范圍。雙極性輸出轉換器采用雙電源供電，可以用于必須輸出雙極性電壓范圍的輸出模塊。
圖2 每通道一個DAC的架構
四路D/A轉換器是非隔離型的多通道輸出設計的理想選擇，通過外接信號調理電路的方法可以實現多達4路的不同的輸出配置。例如，圖3示出了16bit 4路電壓輸出型DACAD5664R是如何提供0～5V的輸出范圍的——它也可以通過不同的連接方式提供各種標準所需的輸出電壓范圍，或者通過外接的四運放構成灌電流輸出。在配制成雙極性輸出時，其內部基準源的對外輸出可以提供必要的跟蹤偏置電壓。
圖3 利用多通道D/A變換器實現±5V、±10V、0V~10V、0V~5V等電壓和電流沉輸出
圖4示出了隔離4~20mA電流環(huán)控制電路中所使用的一個單通道轉換器。AD5662采用SOT-23封裝，適用于那些需要在模擬輸出之間充分隔離的應用。
圖4 一個4～20mA電流控制電路
圖4 中，AD5662最大的輸出電壓擺幅為5V，該電壓由ADR02電壓基準來提供，它可以從變化的回路電壓中穩(wěn)壓出一路精密的電源。5V的DAC輸出則通過一個運算放大器和晶體管構成的混合電路轉換成4～20mA的電流輸出。因為運算放大器的同向端輸入處于虛地電位，運放就可以調節(jié)電流Is，以維持在RS和R3上的電壓相等的關系，于是有
RSIS=R3I3
N2端的電流的總和構成了環(huán)路電流：
電流在N1點相加，于是有：
環(huán)路電流中的4mA的偏移分量是由基準電壓所提供：
環(huán)路電流中可編程0~16mA電流則是由DAC提供：
每通道配置采樣-保持電路
另一種可選的架構是利用開關電容和緩沖器來構成采樣-保持放大器(HA)，以儲存高性能單DAC的輸出信號，如圖5所示。這些采樣值通過模擬多路復用器在不同的電容器之間切換。因為系統(tǒng)的保持精度由電容的下降速率所決定，所以需要對這些通道進行頻繁的刷新以維持所需要的精度。根據輸出的要求，可采用低壓單電源DAC，也可以使用雙極性輸出DAC。緩沖器可以提供信號調理，對電容而言呈現一個很高的輸入阻抗，并能提供很低的輸出阻抗，以驅動負載。
圖5 單DAC架構
電源和數字信號的電流隔離
在PLC、過程控制、數據采集以及控制系統(tǒng)中，各種傳感器產生的數字信號都傳送到一個中央控制器，進行處理和分析。為了保證用戶接口端電壓的安全性，也為了防止瞬態(tài)尖峰的傳輸，需要實現電流隔離。最常用的隔離器件是光耦器、基于變壓器的隔離器和電容耦合式隔離器。
通用的光耦器利用發(fā)光二極管(LED)來將電氣信號轉換成對應的光強度，并用光電探測器將光信號轉換成電信號。一般說來，它們的LED普遍存在轉換效率低的問題，而且光電探測器的響應速度較慢;光耦隔離器的壽命有限，隨著溫度、工作速度和功耗的變化而會出現過大的性能波動。它們一般局限于1或2通道結構，需要外接元件才能實現完整的功能。
ADI目前開發(fā)出一種新的隔離方法，它將芯片級的變壓器技術與集成化的CMOS輸入與輸出電路結合起來。這些 iCoupler 器件在尺寸、成本和功耗方面都低于光耦隔離器，同時，有多種多樣的通道配置和性能水平，并帶有標準的CMOS接口，且無需外接元件——且能在全溫度、電源范圍和壽命期中保持其高性能和穩(wěn)定性。iCoupler的數據率和定時精度比常見的高速光耦合器高2～4倍，而它們用的功耗僅為光耦合器的1/50，發(fā)熱更小，而可靠性得以提高，成本則更低。
在完全隔離的系統(tǒng)中，從系統(tǒng)端向現場端提供隔離的電源是另一個要面對的挑戰(zhàn)，而在這一方面目前也涌現了新的解決方案。傳統(tǒng)上，將電源從隔離的一端傳遞到另一端所用的技術包括使用單獨的、尺寸較大的、昂貴的DC/DC變換器，或者設計及接口困難的分立器件。目前出現的一種更新和更好的方法是采用完整的、全部集成化的隔離解決方案，這種方案可以通過微變壓器實現跨越隔離點的信號和電源傳輸，其供電能力高達50mW。單個ADuM524x isoPower系列產品元件可以提供高達5kV的信號和電源隔離度，這避免了采用分立的、隔離的電源的必要，顯著的降低了總的隔離系統(tǒng)的成本、電路板面積和設計時間。所有isoPower產品都已經實現了UL、CSA和VDE安全性認證。
PLC輸入模塊
PLC系統(tǒng)的架構和輸入模塊的選擇取決于所需要監(jiān)測的輸入信號電平的高低。各種類型的傳感器和待監(jiān)測的過程控制變量所產生的信號，其范圍從±10mV一直到±10V。
許多種結構的ADC都可以應用于工業(yè)和PLC應用，包括逐次逼近型(SAR)、Flash/Parallel、積分(包括S-D)，以及斜坡/計數型。針對特定應用選擇ADC時，首要考慮的因素是輸入信號范圍，同時還應該考慮所要求的精度、信號頻率分量、最大的信號電平以及動態(tài)范圍。使用最廣泛的是逐次逼近型ADC和S-D ADC。
逐次逼近型ADC可以提供12bit到18bit的分辨率，而且具有高吞吐率;它們是多通道復用應用的理想選擇，而這些應用需要以較高的采樣速率對大量的輸入通道進行監(jiān)測。
S-D架構的ADC所能提供的分辨率為16bit~24bit。它們具有很高的過采樣速率和數字濾波能力，以實現很高的分辨率和精度，但相對于SAR型ADC，采樣速率較低。S-D架構一般在前端處集成了可編程增益放大器(PGA);在每通道配備轉換器的應用中，這可以實現傳感器與ADC之間的直接接口，而無需外部信號調理。
對熱電偶、應變計和電橋型壓力傳感器輸出的低電平信號進行測量時，一個關鍵的要求是能夠執(zhí)行差分式測量，以抑制共模干擾，并在出現噪聲的情況下提供更穩(wěn)定的讀數。例如，在工業(yè)應用常常采用差分輸入，以抑制電機、AC電源線或者其他影響ADC輸入的共模噪聲。
單端輸入的成本更低，在引腳數量相同的情況下，所能提供的通道可以增加一倍，這是因為它們每個通道只需要一路模擬的輸入，而且這些輸入都以同一個接地點為基準。它們主要用于具有高信號電平、低噪聲和穩(wěn)定的公共地電位的應用中。
圖6所示的是在分立隔離型PLC輸入模塊中使用的各個單元，包括激勵、輸入信號調理、接收多路輸入信號的故障保護多路復用器、一個可編程增益放大器和一個A/D變換器。在傳統(tǒng)方案中，這些大多數是通過分立的IC和無源器件來實現的，如今則集成在ADC和模擬前端中。
圖6 典型的分立PLC輸入模塊所能實現的功能
這些ADC可以直接與多種應用中的傳感器接口直接連接，包括PLC、溫度測量、稱重、壓力和流量測量以及通用測量設備。它們的刷新速率可以在4Hz～500Hz的范圍內編程設定，可以以所選擇的刷新速率同時對50Hz和60Hz信號進行同時的抑制。
結語
PLC的工業(yè)系統(tǒng)設計者繼續(xù)致力于在預算和電路板面積不斷縮小的情況下，推動產品性能和功能度的不斷提高。為了提供能滿足這些嚴格要求的集成電路，并努力爭取信號鏈上的每個重要位置，Analog Devices已經開發(fā)了重要的新制造工藝流程。這一被稱為iCMOS的工藝技術將高壓硅集成電路技術與亞微米的CMOS和互補雙極型技術結合起來，從而實現能提供30V工作的模擬IC(許多工業(yè)應用均有需求)，而所需的平面尺寸更小、性能更高且成本更低?；谛酒壸儔浩?而非LED和光電二極管)的iCoupler隔離技術可以與CMOS半導體功能結合，提供低成本的隔離功能。iPolar溝槽隔離工藝則使得電壓可以高達±18 V的電源電壓下工作，其性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的雙極型放大器，而功耗則減半，封裝尺寸也減小了75%。這些技術能很好地滿足當前的需求，并能笑迎輝煌的未來。
下載文檔
