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)型分銷商世健公司邀請(qǐng)了他們的客戶,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)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202105/425828.htm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類執(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)類型常見電壓信號(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。
評(píng)論