面向PLC的精密信號(hào)處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件

可編程邏輯控制(PLC)是一種基于計(jì)算機(jī)的緊湊的電子系統(tǒng)，它使用數(shù)字或者模擬輸入/輸出模塊來(lái)控制機(jī)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(hào)，并利用它們來(lái)控制和監(jiān)測(cè)幾乎任何一種機(jī)械和/或電氣系統(tǒng)。PLC可以按照所能提供的I/O功能來(lái)分類。例如，一個(gè)nano PLC具備的I/O數(shù)少于32路，一個(gè)micro PLC的I/O數(shù)在32和128路之間，而小型PLC的I/O數(shù)則達(dá)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(gòu)，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?yàn)樵S多輸入和輸出都涉及現(xiàn)實(shí)世界中的模擬變量——而控制器是數(shù)字式的—PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)任務(wù)將主要圍繞如下方面展開：數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、輸入和輸出信號(hào)調(diào)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(wèn)題。

　　I/O模塊的分辨率范圍從12位到16位，在整個(gè)工業(yè)級(jí)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(duì)DAC的穩(wěn)定時(shí)間要求，從10ms一直到100ms，具體則取決于應(yīng)用的實(shí)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(hào);也有電機(jī)控制器±10V的電壓信號(hào)，或者工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的4~20mA電流。轉(zhuǎn)換時(shí)間則取決于所要求的精度和所選用的ADC架構(gòu)，從10SPS到幾百KSPS。

　　數(shù)字隔離器、光耦隔離器或者電磁隔離器用來(lái)將系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的ADC、DAC和信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字端的控制器隔離開來(lái)。如果模擬端的系統(tǒng)也必須實(shí)現(xiàn)充分隔離的話，在輸入或者輸出的每個(gè)通道必須采用轉(zhuǎn)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(shù)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(jí)CMOS和互補(bǔ)雙極型工藝融為一體，在PLC設(shè)計(jì)的輸入、輸出部分所使用。

　　iCMOS技術(shù)使得單芯片的設(shè)計(jì)能夠融合5V CMOS并實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品。其中的雙極型工藝為ADC、DAC和低失調(diào)放大器提供了精確的基準(zhǔn)源，出色的匹配特性和高度的穩(wěn)定性。

　　薄膜電阻具有高達(dá)12位的初始匹配特性，經(jīng)過(guò)修調(diào)后可以實(shí)現(xiàn)16位的匹配，溫度和電壓系數(shù)與傳統(tǒng)的多晶硅的電阻相比，改善了20倍，是高準(zhǔn)確度、高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的理想選擇。片上的薄膜熔斷器使得高精度轉(zhuǎn)換器的積分非線性、偏置和增益等性能可以用數(shù)字化的技術(shù)來(lái)校準(zhǔn)。

　　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(jī)——使用了標(biāo)準(zhǔn)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(hào)鏈常常包括了數(shù)字隔離——將控制器的數(shù)字輸出與DAC和模擬信號(hào)調(diào)理部分隔離開來(lái)。在數(shù)字化隔離的系統(tǒng)中所使用的轉(zhuǎn)換器主要使用3線或者4線串行接口來(lái)最大限度減小所要求的數(shù)字隔離器或者光耦隔離器的數(shù)量。

　　PLC系統(tǒng)的模擬輸出模塊通常采用兩種架構(gòu)：每個(gè)通道一個(gè)DAC的架構(gòu)和每個(gè)通道一個(gè)采樣保持器的架構(gòu)。第一種架構(gòu)中，每個(gè)通道使用一個(gè)專用的DAC來(lái)產(chǎn)生模擬控制電壓或者電流?，F(xiàn)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(gòu)。圖2是每通道使用一個(gè)DAC的典型配置。這種最簡(jiǎn)單DAC是低壓?jiǎn)坞娫葱偷模捎?.5V~5.5V電源供電，輸出范圍是0~VREF，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后可以產(chǎn)生所需的任意電壓或者電流范圍。雙極性輸出轉(zhuǎn)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(gè)DAC的架構(gòu)

　　四路D/A轉(zhuǎn)換器是非隔離型的多通道輸出設(shè)計(jì)的理想選擇，通過(guò)外接信號(hào)調(diào)理電路的方法可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)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(guò)不同的連接方式提供各種標(biāo)準(zhǔn)所需的輸出電壓范圍，或者通過(guò)外接的四運(yùn)放構(gòu)成灌電流輸出。在配制成雙極性輸出時(shí)，其內(nèi)部基準(zhǔn)源的對(duì)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(shí)現(xiàn)±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(gè)單通道轉(zhuǎn)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(yīng)用。

圖4 一個(gè)4～20mA電流控制電路[!--empirenews.page--]

　　圖4 中，AD5662最大的輸出電壓擺幅為5V，該電壓由ADR02電壓基準(zhǔn)來(lái)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(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器和晶體管構(gòu)成的混合電路轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出。因?yàn)檫\(yùn)算放大器的同向端輸入處于虛地電位，運(yùn)放就可以調(diào)節(jié)電流Is，以維持在RS和R3上的電壓相等的關(guān)系，于是有

RSIS=R3I3

　　N2端的電流的總和構(gòu)成了環(huán)路電流：

　　電流在N1點(diǎn)相加，于是有：

　　環(huán)路電流中的4mA的偏移分量是由基準(zhǔn)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(gòu)是利用開關(guān)電容和緩沖器來(lái)構(gòu)成采樣-保持放大器(HA)，以儲(chǔ)存高性能單DAC的輸出信號(hào)，如圖5所示。這些采樣值通過(guò)模擬多路復(fù)用器在不同的電容器之間切換。因?yàn)橄到y(tǒng)的保持精度由電容的下降速率所決定，所以需要對(duì)這些通道進(jìn)行頻繁的刷新以維持所需要的精度。根據(jù)輸出的要求，可采用低壓?jiǎn)坞娫碊AC，也可以使用雙極性輸出DAC。緩沖器可以提供信號(hào)調(diào)理，對(duì)電容而言呈現(xiàn)一個(gè)很高的輸入阻抗，并能提供很低的輸出阻抗，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖5 單DAC架構(gòu)

　　電源和數(shù)字信號(hào)的電流隔離

　　在PLC、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集以及控制系統(tǒng)中，各種傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)都傳送到一個(gè)中央控制器，進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(lái)將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度，并用光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。一般說(shuō)來(lái)，它們的LED普遍存在轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，而且光電探測(cè)器的響應(yīng)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(huì)出現(xiàn)過(guò)大的性能波動(dòng)。它們一般局限于1或2通道結(jié)構(gòu)，需要外接元件才能實(shí)現(xiàn)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(jí)的變壓器技術(shù)與集成化的CMOS輸入與輸出電路結(jié)合起來(lái)。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(shí)，有多種多樣的通道配置和性能水平，并帶有標(biāo)準(zhǔn)的CMOS接口，且無(wú)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(shù)據(jù)率和定時(shí)精度比常見(jiàn)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(xiàn)場(chǎng)端提供隔離的電源是另一個(gè)要面對(duì)的挑戰(zhàn)，而在這一方面目前也涌現(xiàn)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(shù)包括使用單獨(dú)的、尺寸較大的、昂貴的DC/DC變換器，或者設(shè)計(jì)及接口困難的分立器件。目前出現(xiàn)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(guò)微變壓器實(shí)現(xiàn)跨越隔離點(diǎn)的信號(hào)和電源傳輸，其供電能力高達(dá)50mW。單個(gè)ADuM524x isoPower系列產(chǎn)品元件可以提供高達(dá)5kV的信號(hào)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(shè)計(jì)時(shí)間。所有isoPower產(chǎn)品都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了UL、CSA和VDE安全性認(rèn)證。

　　PLC輸入模塊

　　PLC系統(tǒng)的架構(gòu)和輸入模塊的選擇取決于所需要監(jiān)測(cè)的輸入信號(hào)電平的高低。各種類型的傳感器和待監(jiān)測(cè)的過(guò)程控制變量所產(chǎn)生的信號(hào)，其范圍從±10mV一直到±10V。

　　許多種結(jié)構(gòu)的ADC都可以應(yīng)用于工業(yè)和PLC應(yīng)用，包括逐次逼近型(SAR)、Flash/Parallel、積分(包括S-D)，以及斜坡/計(jì)數(shù)型。針對(duì)特定應(yīng)用選擇ADC時(shí)，首要考慮的因素是輸入信號(hào)范圍，同時(shí)還應(yīng)該考慮所要求的精度、信號(hào)頻率分量、最大的信號(hào)電平以及動(dòng)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(fù)用應(yīng)用的理想選擇，而這些應(yīng)用需要以較高的采樣速率對(duì)大量的輸入通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　S-D架構(gòu)的ADC所能提供的分辨率為16bit~24bit。它們具有很高的過(guò)采樣速率和數(shù)字濾波能力，以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率和精度，但相對(duì)于SAR型ADC，采樣速率較低。S-D架構(gòu)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(zhuǎn)換器的應(yīng)用中，這可以實(shí)現(xiàn)傳感器與ADC之間的直接接口，而無(wú)需外部信號(hào)調(diào)理。

　　對(duì)熱電偶、應(yīng)變計(jì)和電橋型壓力傳感器輸出的低電平信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的要求是能夠執(zhí)行差分式測(cè)量，以抑制共模干擾，并在出現(xiàn)噪聲的情況下提供更穩(wěn)定的讀數(shù)。例如，在工業(yè)應(yīng)用常常采用差分輸入，以抑制電機(jī)、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(shù)量相同的情況下，所能提供的通道可以增加一倍，這是因?yàn)樗鼈兠總€(gè)通道只需要一路模擬的輸入，而且這些輸入都以同一個(gè)接地點(diǎn)為基準(zhǔn)。它們主要用于具有高信號(hào)電平、低噪聲和穩(wěn)定的公共地電位的應(yīng)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(gè)單元，包括激勵(lì)、輸入信號(hào)調(diào)理、接收多路輸入信號(hào)的故障保護(hù)多路復(fù)用器、一個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)A/D變換器。在傳統(tǒng)方案中，這些大多數(shù)是通過(guò)分立的IC和無(wú)源器件來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的功能

　　這些ADC可以直接與多種應(yīng)用中的傳感器接口直接連接，包括PLC、溫度測(cè)量、稱重、壓力和流量測(cè)量以及通用測(cè)量設(shè)備。它們的刷新速率可以在4Hz～500Hz的范圍內(nèi)編程設(shè)定，可以以所選擇的刷新速率同時(shí)對(duì)50Hz和60Hz信號(hào)進(jìn)行同時(shí)的抑制。

　　結(jié)語(yǔ)

　　PLC的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者繼續(xù)致力于在預(yù)算和電路板面積不斷縮小的情況下，推動(dòng)產(chǎn)品性能和功能度的不斷提高。為了提供能滿足這些嚴(yán)格要求的集成電路，并努力爭(zhēng)取信號(hào)鏈上的每個(gè)重要位置，Analog Devices已經(jīng)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(shù)將高壓硅集成電路技術(shù)與亞微米的CMOS和互補(bǔ)雙極型技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)能提供30V工作的模擬IC(許多工業(yè)應(yīng)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?jí)變壓器(而非LED和光電二極管)的iCoupler隔離技術(shù)可以與CMOS半導(dǎo)體功能結(jié)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(dá)±18 V的電源電壓下工作，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)能很好地滿足當(dāng)前的需求，并能笑迎輝煌的未來(lái)。