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作者：Siamak Bastami PLC自20世紀70年代后期進入中國后，已然經過了三十多年的長足發展。不知正在閱讀文章的各位，是否還記得您參與設計的第一款PLC電路？現如今，PLC及DCS仍然在工控領域發揮著重大作用，并且正在朝著模塊更小、速度更快、通道密度更高的方向發展。 以PLC機架插槽的典型I/O卡為例，目前常見的8通道模塊尺寸一般為90mm×70mm×23.5mm，但在市場需求驅動下，名片大小的產品已經問世。通道密度或數量的增加不僅能提升模塊功能，而且可以增加產品價格競爭力，自然大受歡迎。但是，如何降低模塊尺寸？如何在滿足上述需求的同時解決由此產生的自熱問題？如何進行低功耗設計？這些，也都是PLC系統設計時面對的實際問題。 ADI過程控制系列之《工業現場環路供電儀器儀表的四大關鍵設計環節》一文，已就現場儀器儀表/變送器的設計需求和挑戰進行了深入分析，作為該篇文章的姊妹篇，本文將著重關注PLC/DCS系統中的模擬輸入輸出部分的發展趨勢。這里會將輸入和輸出模塊區分開來，就其不同的系統要求進行分別探討，并著重介紹ADI能夠支持這些要求的最新優勢產品和解決方案。 多通道全集成模擬輸出解決方案 模擬輸出講究的是集成、能效和性能。首先，模塊尺寸要小。目前，設計人員早已通過在產品設計中選用0402封裝電阻電容以及LFCSP封裝IC，達到減少電路板尺寸的目的。與此同時，每個模塊的功耗也由曾經的5W-10W，發展到了如今的3W-5W，未來勢必降至更低。在這方面，一些設計人員通過犧牲設計規格來滿足功耗預算，此法雖然能達到降低功耗的目的，但勢必也會導致產品競爭力下降，因此并不推薦。 其次，通道密度要增加，由原來的4通道、8通道增加至現在的12甚至16通道。眾所周知，空間不變而通道密度增加，會顯著提升模塊的環境溫度，在某些情況下，高達100攝氏度的系統環境溫度并不罕見，而這本身卻會對最高IC結溫造成挑戰。而且，通道密度的增加還意味著元件數量以及功耗的增加，這也從另一方面要求設計人員在選擇元件時，要尺寸更小、靜態電流更低而且效率更高。 第三，速度，即建立時間要提高，從而實現工廠自動化。目前，模擬輸出通道建立的時間已經降低至20μs，但依然在向更高效率發展。 第四，工藝安全要求也要提高，系統要引入安全完整性等級(SIL)來提高診斷性以及穩定性。 ADI多年來深耕工業控制領域，其提供的模擬輸出解決方案從最初的“四通道DAC+外部增益放大器”式全分立方案，發展到“四通道DAC＋四個外部驅動器”式半集成方案，再到后來的單通道全集成式解決方案，以及最新的多通道全集成式解決方案，其中涉及AD566x、AD5750、AD5422等多款工程師耳熟能詳的芯片產品。 
圖1：工業輸出的創新發展歷程 圖1所示為ADI工業輸出產品的創新發展歷程。以現在的眼光來看，早期的分立設計方案毫無疑問存在很多缺陷：器件數量過多造成系統復雜、電路板尺寸過大以及成本過高；多個器件導致誤差度隨著不同極性系數變化，從而造成總誤差難以計算；無法提供短路監測/保護或任何故障診斷；不包括許多工業控制模塊中所必須的電壓輸出等。 正因如此，集成式解決方案毫無疑問更勝一籌。例如AD5422/AD5412單通道16位/12位4mA～20mA和電壓輸出DAC，就是一款易于部署的解決方案，其緊湊型的封裝中集成多種功能，提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，Iout范圍為0/4mA～20 mA以及0 mA～24 mA；Vout范圍為0 V～5 V、0 V～10 V、±5 V、±10 V和10%超量程，可以有效簡化工廠過程控制和工業系統設計。 AD5755則是一款四通道16位4 mA～20 mA和電壓輸出DAC，除了將AD5422的單通道增加到四通道外，該產品還增加了動態功率控制功能，這也是業內首款具備動態功率控制功能的數據轉換器。新功能不但有利于節能，而且還可以增強過程控制I/O系統的工作穩定性。
圖2：(左)系統輸出的常見架構圖 ，(右)帶動態功率控制的系統輸出 圖2(左)為系統輸出最常見的架構。假設通道配置為4mA～20mA通信，DAC需要驅動一個執行器負載，所以執行器的端接電阻決定環路所需的最大電源電壓。如今的系統必須能夠驅動最高達(有時甚至超過)1 kΩ的負載，這是很常見的要求。對于這一負載阻抗和20 mA 的滿量程電流，電源需要提供至少20V電壓。如果考慮到DAC的電源裕量，電源可能升至24V。再考慮到輸出級的功率調節，輸出級電壓較好的估計值為28V。 短路有可能是真實存在的條件，這主要是由于ADC模塊可通過低至20歐的電阻值端接，以便檢測。因此這樣一來，8通道模塊僅模擬部分的功耗就可能高于4W，再加上DC-DC級的功耗，如果以80%的效率來計算的話，僅模擬部分的功耗就將大于6W。這種情況下，自熱效應和功耗預算的提高開始成為問題。模塊內的溫度升高可能導致系統誤差增大，各個器件的漂移特性需要納入系統整體的誤差預算中加以考慮。 一種有助于解決此問題的方法是從5V電源入手，在內部使用開關電源，根據輸出負載情況智能且自動地對MOS管上端的電壓進行調節，這就是ADI專有的動態功率控制解決方案。該方案可以檢測輸出負載，然后在負載變化或編程電流變化時，根據需要動態地升高輸出順從電壓，如圖2(右)所示，只需在片內集成DC-DC升壓轉換器即可。 采用5V標稱電源運行DC-DC轉換器時，輸出端的最低調節電壓約為7V，而最高電源電壓可超過30V，具體取決于需求。注意，這種情況下，需要再次考慮零負載條件，這是電流輸出的一種有效條件。圖2(右)的實際結果表明，在部署動態功率控制時，每加入一個DC-DC可讓每個通道的獨立功耗降至最低。在8個通道發生短路的情況，DC-DC將輸出調節為7.5 V，從而限制了片內功耗和模塊功耗。假設DC-DC隔離級效率仍為80%，使用動態功率控制的8通道模塊總功耗則降至3W。 圖3很清楚地表明了DC-DC控制啟用前和啟用后片內溫度的對比。其中粉色為不啟用DC-DC控制的情形，溫升超過200度；藍色為啟用后的情形，溫升只有五六十度。事實證明，通過使用動態功率控制功能，設計人員不僅可以確保器件自我保護，而且可以將模塊內的功耗降至較低水平。
圖3：其中DC-DC調節功能后，片內芯片溫度大幅降低 那么，加入片內DC-DC將會產生多少紋波？特別是考慮到后置調節階段不使用LDO時，這樣做對系統性能有何影響？事實上，AD5755電路設計時用到了DC-DC抑制元件，出于完整性考慮，還添加了可選低通RC濾波器，充當一階抗混疊濾波器。實驗證明，紋波幅度與建立時間和輸出電容之間存在權衡關系。因此，系統設計人員在使用該產品時，必須首先確定系統可以容許的紋波大小情況。 模擬輸入的關鍵：更佳穩定性和高速高性能ADC 與模擬輸出相比，模擬輸入發展更為強調系統的穩定性以及高速、高性能的ADC內核，其中穩定性包括過壓保護和更佳的50 Hz/60 Hz抑制等。 在PLC/DCS模擬輸入端，我們通常需要調理和轉換兩類電壓，一類是輸入范圍包含±10V 的雙極性電壓，一類是0-10V的單極性電壓。在將這些信號送入ADC進行轉換前，我們需要至少在信號輸入和ADC輸入間放置一個運算放大器作為緩沖器。考慮到系統所追求的電壓穩定性和可靠性指標，ADI具有過壓保護功能的微功耗RRIO(軌到軌輸入/輸出)運算放大器ADA4096-x非常適合此類應用。 ADA4096-x的特點可以濃縮為幾個關鍵詞：32V、RRIO、精密、μPower以及過壓保護(OVP)。其內部輸入過壓保護，最多可以超出供電軌±32V，放大器都不會損壞。此特性對存在電源時序控制問題的應用特別重要，該問題可導致信號源在放大器上電之前加入。 放大器過壓保護有不同的方案，其中最為簡單的就是內置靜態放電(ESD)保護，很多基本的二極管保護電路都采用此方法，但是強壯型較差。此外，差分二極管以及外部二極管保護，由于成本較低也被廣泛使用，但存在本身的漏電流和寄生電容對放大器產生影響等問題。 表1：各種內部和外部OVP解決方案對比
從表1中ADI OVP解決方案的電路圖中可以看出，ADA4092-x有兩個不同的ESD電路，用于增強其過壓保護功能。其中一個電路是一個5kΩ的串聯電阻，連接至內部輸入端和從內部輸入端到供電軌的二極管(D1和D2；D5和D6)。另一個保護電路為連接至供電軌的兩個DIAC(D3和D4；D7和D8)，DIAC可以看作是帶傳遞特性的雙向齊納二極管。對于最差條件設計分析，可考慮兩種情況：從內部運算放大器輸入端到供電軌，ADA4092-x采用正常的ESD結構；從外部輸入端到供電軌，則采用42 V DIAC。 除上述集成式OVP解決方案外，ADA4096-x還具有軌到軌輸入/輸出擺幅的特性。此外，該產品功耗很低，每個運算放大器的典型值只有60μA，只要保證在其電壓工作范圍3V至30V之間，這也使得它非常適合于電池供電或監控電池供電情況。其單位增益帶寬為800kHz(Vsy = ±15V時的典型值)，會隨著電壓下降而有所降低。低失調電壓的典型值也只有35μV。與同類產品相比，ADA4096-x具有競爭產品的2倍帶寬、1/2 Vos、1/3TcVos及1/2Vn。該器件提供業內最高水平的過壓保護，可以在要求嚴苛的工業與儀器儀表應用中穩定工作。
圖4：連接到SDP板的EVAL-CN0241-SDPZ評估板 圖4為ADI公司針對ADA4096-x輸入過壓保護的高端電流檢測實驗。 具有靈活濾波器選項的24位Σ-Δ型ADC 在工業應用中，當測量來自熱電偶、應變計以及橋式壓力傳感器的低電平信號時，通常需要差分輸入信號，以抑制來自電機、交流電力線，或其他的噪聲源(這些噪聲源將噪聲引入模數轉換器的模擬輸入端)的共模干擾信號。 對于輸入模塊而言，Σ-Δ型ADC是最受歡迎的選擇，因為它們能提供高精度及分辨率。此外，其內置的可編程增益放大器(PFG)可以精確測量小的輸入信號。AD7176-2是ADI今年最新發布的24位Σ-Δ型ADC，在其內部濾波器設計方面，采用了最新的方法和思路。
圖5：AD7176數字濾波器功能框圖 如圖5所示，AD7176-2有三個靈活的濾波器選項，支持對噪聲、建立時間和抑制性能進行優化。最新的Sinc5+Sinc1濾波器部分，主要用于快速切換多路復用應用，可實現建立時間最快的快速通道切換，使通道掃描速率達到最大。Sinc5模塊輸出固定在250kSPS的最大速率，Sinc1模塊的輸出數據速率可變，從而控制最終ADC輸出數據速率。 Sinc3濾波器在較低速率時可實現最佳單通道噪聲性能，因此最適合單通道應用，可以使單通道、低速應用的分辨率達到最高。 增強型50 Hz和60 Hz抑制濾波器，旨在提供50 Hz和60 Hz同時抑制，并且允許以犧牲通道開關速率的代價換取抑制性能。這些濾波器是市面上最快的50 Hz/60 Hz抑制產品，可以最高27.27SPS的速率工作，或者可以抑制最高90 dB的50 Hz ± 1 Hz和60 Hz ± 1 Hz干擾。這些濾波器是通過對Sinc5 + Sinc1濾波器輸出進行后濾波實現的。因此，使用增強型濾波器時，必須選擇Sinc5 + Sinc1濾波器。 AD7176-2的可編程功能通過SPI串行接口執行，具有校驗和模式，可用來提高接口的魯棒性。CRC校驗和在讀寫操作下都可工作，除了能夠有效防止SPI通信錯誤外，還可以在內部對ADC配置進行校驗，從而增強其穩定性。 這里值得一提的是：AD7176-2前端集成交叉點多路復用器，可以通過選擇不同輸入引腳來配置偽差分或全差分輸入對，從而將任何模擬輸入組合作為要轉換的輸入信號，并將其路由至調制器正或負輸入。這樣一來，AD7176-2就可以實現通道間的差分，從而大大提高其靈活性，這也是AD717x系列優于較早前的AD719x和AD779x產品的一個地方。 除此之外，AD7176-2還包括很多其他的優勢：可以靈活設置輸出速率，最高速率可高達250KSPS；在最高速率下，擁有17.2位的無噪聲分辨率；最大通道掃描數據速率為50kSPS，建立時間為20μs，而且在此掃描速率下，仍可以得到17位無噪聲分辨率；INL僅為全量程的2.5ppm；內部集成2.5V基準和振蕩器，減少了外部元件數；系統失調和增益誤差，可針對各個通道進行校正，這種各通道可配置能力，適用于每一通道所用的濾波器類型和輸出數據速率。 ADI采用AD7176-2設計了一款實驗室電路——CN0310，用于工業級信號的24位、250kSPSΣ-Δ ADC系統，為工業級信號采集提供了快速、高精度的轉換結果，具體的設計資源，可以在ADI的官網上獲取(詳情參考：http://www.analog.com/cn0310)。AD7176-2同時還提供了評估板套件，用戶只需通過PC上的評估板軟件，即可直接控制AD7176-2，評估板需要與SDP系統驗證平臺聯合使用。
圖6：CN0310——用于工業信號電平的精密24位、250 kSPS,單電源∑-△型ADC系統 除上述介紹的產品和解決方案外，ADI針對PLC/DCS應用最新推出了一些產品參考設計，其中包括適用于電壓、電流、溫度(熱電偶+RTD)輸入的隔離式單通道通用模擬輸入模塊CN0325，以及支持HART且適合通道間隔離系統的單通道模擬輸出演示板CN0321。兩款演示板均以面世，用戶可通過www.analog.com/DC13-hardware查詢具體價格信息。 |
