完整傳感器數(shù)據(jù)采集解決方案

簡(jiǎn)介

可編程邏輯控制器(PLC)是很多工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)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(gè)傳感器和執(zhí)行器，可測(cè)量和控制模擬過(guò)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(chǎng)、煉油廠(chǎng)、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(zhǎng)時(shí)間工作。此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)要求必須降低成本和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。因此，工業(yè)設(shè)備和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)人員在滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)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(shuō)明多功能、低成本的高度集成ADAS3022如何通過(guò)更換模擬前端(AFE)級(jí)，降低復(fù)雜性、解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的諸多難題。這種高性能器件具有多個(gè)輸入范圍，非常適合高精度工業(yè)、儀器、電力線(xiàn)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(shí)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(dòng)化和過(guò)程控制系統(tǒng)中使用PLC的簡(jiǎn)化信號(hào)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(hào)，例如存在極端溫度和濕度、振動(dòng)、爆炸化學(xué)物品的環(huán)境。典型信號(hào)包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿(mǎn)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(zhǎng)電纜時(shí)，通常使用電流環(huán)路，因?yàn)樗鼈儽旧砭哂辛己玫目箶_度。

模擬輸出模塊通?？刂茍?zhí)行器，例如繼電器、電磁閥和閥門(mén)等，以形成完整自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它們通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿(mǎn)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(gè)、4個(gè)、8個(gè)或16個(gè)通道。為滿(mǎn)足嚴(yán)格行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些模塊需要提供過(guò)壓、過(guò)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(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通道間隔離。很多I/O模塊可以對(duì)每通道的對(duì)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(dòng)執(zhí)行多個(gè)控制任務(wù)，利用實(shí)時(shí)信息訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行智能決策。CPU可能包含高級(jí)軟件和算法以及Web連接，用于差錯(cuò)校驗(yàn)診斷和故障檢測(cè)。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(hào)鏈。

分立式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案

工業(yè)設(shè)計(jì)人員可以使用分立式高性能組件，為PLC或類(lèi)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(jì)考慮因素包括輸入信號(hào)配置、整體系統(tǒng)速度、精度和精確性。此處所示的信號(hào)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(gè)不同增益范圍，但在±10 V的最大輸入信號(hào)的情況下，設(shè)計(jì)人員必然會(huì)擔(dān)心多路復(fù)用器的切換和建立時(shí)間，以及其他模擬信號(hào)調(diào)理問(wèn)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(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即便在使用這些高性能器件時(shí)也是如此。

AD7982具有滿(mǎn)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(shí)保證指定性能，PGIA和漏斗放大器必須在710 ns時(shí)間內(nèi)建立。但是，AD8251針對(duì)10 V階躍達(dá)到16位轉(zhuǎn)換精度(0.001%)的建立時(shí)間為785ns，因此該信號(hào)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(hào)鏈。

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

16位1 MSPS ADAS3022數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IC采用專(zhuān)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(gè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)減小高級(jí)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時(shí)間，節(jié)省成本。它使得我們無(wú)需對(duì)輸入信號(hào)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(duì)共模抑制、噪聲和建立時(shí)間的擔(dān)憂(yōu)，還解決了與設(shè)計(jì)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(lèi)較佳的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。

圖4. ADAS3022的INL和FFT性能。

PGIA具有很大的共模輸入范圍、真正的高阻抗輸入(>500 MΩ)和寬動(dòng)態(tài)范圍，這使得它能夠處理4 mA至20 mA的環(huán)路電流，精確測(cè)量小傳感器信號(hào)，抑制交流電力線(xiàn)、電機(jī)和其他來(lái)源的干擾（90 dB的最小CMR）。

輔助差分輸入通道可處理±4.096 V輸入信號(hào)。它旁路多路復(fù)用器和PGIA級(jí)，允許與16位SAR ADC直接接口。片內(nèi)溫度傳感器可以監(jiān)控本地溫度。

這種高集成度可以節(jié)省電路板空間，降低整體部件成本，使得ADAS3022非常適合空間受限的應(yīng)用，例如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、電力線(xiàn)監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制、病人監(jiān)護(hù)以及其他工業(yè)和儀表系統(tǒng)，它們都采用±10 V的工業(yè)信號(hào)電平工作。

圖5. 采用集成PGA的完整5 V、單電源、8通道數(shù)據(jù)采集解決方案。

圖5顯示完整的8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。ADAS3022采用±15 V和+5 V模擬和數(shù)字電源，以及1.8V至5V邏輯I/O電源。高效率、低紋波DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器 ADP1613使得DAS能夠采用5 V單電源工作。ADP1613使用ADIsimPower? 設(shè)計(jì)工具配置為單端初級(jí)原邊電感(SEPIC)拓?fù)?，提供多路?fù)用器和PGIA所需的±15 V雙極性電源，而不會(huì)影響性能。

表1對(duì)ADAS3022和分立信號(hào)鏈的噪聲性能進(jìn)行了比較，并利用每個(gè)元件的輸入信號(hào)幅度、增益、等效噪聲帶寬(ENBW)和折合到輸入端的(RTI)噪聲，計(jì)算整個(gè)信號(hào)鏈的總噪聲。

表1. ADAS3022和分立信號(hào)鏈的噪聲性能

AD8475和AD7982（圖2）之間的單極點(diǎn)低通濾波器(LPF)可以衰減來(lái)自AD7982的開(kāi)關(guān)電容輸入的反沖，限制高頻噪聲量。LPF的–3 dB帶寬(f–3dB) 為6.1 MHz（R = 20 Ω，C = 1.3 nF），在1 MSPS速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可快速建立輸入信號(hào)。LPF的ENBW計(jì)算方法為：

ENBW = π/2 × f–3dB = 9.6 MHz.

請(qǐng)注意，此計(jì)算方法忽略了來(lái)自基準(zhǔn)電壓源和LPF的噪聲，因?yàn)樗粫?huì)對(duì)主要由PGIA決定的總噪聲產(chǎn)生很大影響。

以使用±5 V輸入范圍為例。在此情況下，AD8251的增益設(shè)置為2。漏斗放大器設(shè)置的固定增益為0.4，適用于所有四種輸入范圍。因此AD7982要處理0.5V至4.5V的差分信號(hào)(4 V p-p)。ADG1208的RTI噪聲從Johnson/Nyquist噪聲公式得出：en2 = 4KBTRON,

其中 KB = 1.38 × 10 23 J/K, T = 300K, 和 RON = 270 Ω.

AD8251的RTI噪聲由數(shù)據(jù)手冊(cè)中增益為2時(shí)的27 nV/√Hz噪聲密度得出。同樣，AD8475的RTI噪聲也由10 nV/√Hz噪聲密度得出，使用的增益為0.8 (2 × 0.4)。在這些計(jì)算中，ENBW = 9.6 MHz。AD7982的RTI噪聲則根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中增益為0.8時(shí)的95.5 dB SNR計(jì)算得到。整個(gè)信號(hào)鏈的總RTI噪聲根據(jù)分立元件的RTI噪聲的方和根(rss)計(jì)算。89.5 dB的總SNR可通過(guò)公式SNR = 20 log(VINrms/RTITotal)計(jì)算。

雖然分立信號(hào)鏈的理論噪聲估計(jì)值(SNR)和整體性能與ADAS3022相當(dāng)，特別是在低增益（G = 1和G = 2）和低吞吐率（遠(yuǎn)低于1 MSPS）條件下，但它并非理想解決方案。與分立式解決方案相比，ADAS3022可以節(jié)省大約50%的成本和大約67%的電路板空間，它還可以接收其他三個(gè)輸入范圍（±0.64 V、±20.48 V、±24.576 V），這是分立式解決方案無(wú)法提供的。

結(jié)論

下一代工業(yè)PLC模塊需要高精度、可靠運(yùn)行和功能靈活性，所有這些特性都必須通過(guò)外形小巧的低成本產(chǎn)品提供。ADAS3022具有集成度和性能，支持廣泛的電壓和電流輸入，以便處理工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制的各種傳感器信號(hào)。ADAS3022是PLC模擬輸入模塊和其他數(shù)據(jù)采集卡的理想之選，它使得工業(yè)制造商能夠讓他們的系統(tǒng)具有與眾不同的特性，同時(shí)滿(mǎn)足更加嚴(yán)苛的用戶(hù)要求。