一款基于完整數據采集系統的設計方案

　　簡介

　　可編程邏輯控制器（PLC）是很多工業自動化和過程控制系統的核心，可監控和控制復雜的系統變量。基于PLC的系統采用多個傳感器和執行器，可測量和控制模擬過程變量，例如壓力、溫度和流量。PLC廣泛應用于眾多不同應用，例如工廠、煉油廠、醫療設備和航空航天系統，它們需要很高的精度，還要保持穩定的長時間工作。此外，激烈的市場競爭形勢要求必須降低成本和縮短設計時間。因此，工業設備和關鍵基礎設施的設計人員在滿足客戶對精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴格要求方面遇到了嚴峻的挑戰。本文以PLC應用為例，說明多功能、低成本的高度集成 ADAS3022如何通過更換模擬前端（AFE）級，降低復雜性、解決多通道數據采集系統設計中遇到的諸多難題。這種高性能器件具有多個輸入范圍，非常適合高精度工業、儀器、電力線和醫療數據采集卡應用，可以降低成本和加快產品面市，同時占用空間很小，易于使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

　　PLC應用示例

　　圖1顯示在工業自動化和過程控制系統中使用PLC的簡化信號鏈。PLC通常包括模擬和數字輸入/輸出（I/O）模塊、中央處理器（CPU）和電源管理電路。

　　在工業應用中，模擬輸入模塊可獲取和監控惡劣環境中的遠程傳感器信號，例如存在極端溫度和濕度、振動、爆炸化學物品的環境。典型信號包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿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范圍的環路電流。當遇到具有嚴重電磁干擾（EMI）的長電纜時，通常使用電流環路，因為它們本身具有良好的抗擾度。

　　模擬輸出模塊通?？刂茍绦衅鳎缋^電器、電磁閥和閥門等，以形成完整自動化控制系統。它們通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V滿量程范圍的輸出電壓，以及4 mA至20 mA的環路電流輸出。

　　典型模擬I/O模塊包括2個、4個、8個或16個通道。為滿足嚴格行業標準，這些模塊需要提供過壓、過流和EMI浪涌保護。大多數PLC包括ADC和CPU之間、CPU和DAC之間的數字隔離。高端PLC可能還有國際電工委員會（IEC）標準規定的通道間隔離。很多I/O模塊可以對每通道的對單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率單獨進行軟件編程。

　　在現代PLC中，CPU自動執行多個控制任務，利用實時信息訪問進行智能決策。CPU可能包含高級軟件和算法以及Web連接，用于差錯校驗診斷和故障檢測。常用通信接口包括RS-232、RS-485、工業以太網、SPI和UART.

　　圖1. 典型PLC信號鏈

　　分立式數據采集系統方案

　　工業設計人員可以使用分立式高性能組件，為PLC或類似數據采集系統構建模擬模塊，如圖2所示。主要設計考慮因素包括輸入信號配置、整體系統速度、精度和精確性。此處所示的信號鏈采用ADG1208/ADG1209低泄漏多路復用器、 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超低噪聲基準電壓源。這種解決方案提供四個不同增益范圍，但在±10 V的最大輸入信號的情況下，設計人員必然會擔心多路復用器的切換和建立時間，以及其他模擬信號調理問題。此外，在1 MSPS速率下實現真正的16位性能可能是一個嚴峻挑戰，即便在使用這些高性能器件時也是如此。

　　AD7982具有滿量程階躍的290 ns瞬態響應性能。因此，要在1 MSPS速率下進行轉換的同時保證指定性能，PGIA和漏斗放大器必須在710 ns時間內建立。但是，AD8251針對10 V階躍達到16位轉換精度（0.001%）的建立時間為785ns，因此該信號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鏈