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工業(yè)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用多種多樣，范圍覆蓋從簡單的流量控制到復(fù)雜的電網(wǎng)，從環(huán)境控制系統(tǒng)到煉油廠過程控制。這些自動化系統(tǒng)的智能性依賴于它們的測量和控制單元?？?a href="http://hljzzgx.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程邏輯控制器(PLC)1和分布式控制系統(tǒng)(DCS)2是用于控制機(jī)器和過程、處理各種各樣模擬和數(shù)字輸入及輸出的兩個(gè)最常見計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包含電源、中央處理單元(CPU)，以及多種模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出模塊。
標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議已經(jīng)存在很多年了；模擬變量的范圍主要為4mA至20mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。關(guān)于下一代系統(tǒng)無線解決方案的討論已有很多，但是設(shè)計(jì)人員仍然認(rèn)為4mA至20mA通信和控制環(huán)路可繼續(xù)使用多年。下一代系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋更高的性能、更小的尺寸、更好的系統(tǒng)診斷、更高級別的保護(hù)，以及更低的成本——所有要素都將幫助制造商實(shí)現(xiàn)區(qū)別于其競爭對手的差異化設(shè)備產(chǎn)品。
我們將討論過程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能要求，以及所包含的模擬輸入/輸出模塊，還將介紹一個(gè)過程控制評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用最新集成電路技術(shù)將這些構(gòu)件整合在一起。我們還著眼于應(yīng)對魯棒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這類系統(tǒng)將能經(jīng)受工業(yè)環(huán)境下的電快速瞬變脈沖群(EFT)、靜電放電(ESD)和浪涌電壓干擾，并提供檢驗(yàn)設(shè)計(jì)魯棒性的測試數(shù)據(jù)。
PLC概覽和應(yīng)用實(shí)例
圖1所示為一個(gè)基本過程控制系統(tǒng)構(gòu)件。一個(gè)過程變量，例如流率或氣體濃度，是通過輸入模塊進(jìn)行監(jiān)控的。這些信息由中央控制單元處理；輸出模塊則采取一些行動，如驅(qū)動一個(gè)執(zhí)行器。
圖1. 典型的頂層PLC系統(tǒng)。
圖2所示為這種類型的一個(gè)典型工業(yè)子系統(tǒng)。CO2氣體傳感器測定一個(gè)受保護(hù)區(qū)域的氣體積累濃度，并將此信息傳送給一個(gè)中央控制點(diǎn)。該控制單元包含一個(gè)模擬輸入模塊——用來調(diào)理來自傳感器的4mA至20mA信號，一個(gè)中央處理單元，以及一個(gè)模擬輸出模塊——用來控制必需的系統(tǒng)變量。電流環(huán)路能夠處理大的電流負(fù)載——這些負(fù)載經(jīng)常存在于一些工業(yè)系統(tǒng)中常見的數(shù)百米長的通信路徑上。表述氣體濃度級別的傳感器單元輸出被轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4mA至20mA信號，通過電流環(huán)路傳送。這個(gè)簡化的例子所示的是一個(gè)單獨(dú)的4mA至20mA傳感器輸出連接到一個(gè)單通道輸入模塊，以及一個(gè)單一的0V至10V輸出。在實(shí)際情況下，大多數(shù)模塊都具有多個(gè)通道和可配置范圍。
輸入/輸出模塊的分辨率范圍一般是12至16位，在工業(yè)溫度范圍上具有0.1%的精度。對于橋式傳感器，輸入范圍可小至±10mV ；對于執(zhí)行器控制，可擴(kuò)大至±10V；過程控制系統(tǒng)的輸入范圍為4mA至20mA電流。模擬輸出電壓和電流范圍一般包括±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的穩(wěn)定時(shí)間要求從10μs到10ms不等，取決于具體應(yīng)用和電路負(fù)載。
圖2. 氣體傳感器。
4mA至20mA的范圍用于表述正常的氣體探測范圍，該范圍之外的電流值可被用于提供故障診斷信息，如表1所示。
表1. 4mA至20mA輸出范圍之外的電流分配。
| 電流輸出(mA) | 狀態(tài) |
| 0.0 | 單元故障 |
| 0.8 | 單元預(yù)熱 |
| 1.2 | 零點(diǎn)漂移故障 |
| 1.6 | 校準(zhǔn)故障 |
| 2.0 | 單元生成(跨接) |
| 2.2 | 單元調(diào)零 |
| 4至20 | 常規(guī)測量模式 |
| 4.0 | 零氣體級別 |
| 5.6 | 滿量程的10% |
| 8.0 | 滿量程的25% |
| 12 | 滿量程的50% |
| 16 | 滿量程的75% |
| 20 | 滿量程 |
| >20 | 超量程 |
PLC評估系統(tǒng)
這里描述的PLC評估系統(tǒng)3集成了生成一個(gè)完整輸入/輸出設(shè)計(jì)所需的所有級，它包含4個(gè)完全隔離的ADC通道，1個(gè)帶RS-232接口的ARM7微處理器，以及4個(gè)完全隔離的DAC輸出通道。該評估板由一個(gè)直流電源供電。硬件可配置的輸入量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA、±20mA和熱電偶及RTD。軟件可編程的輸出量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA以及0mA至24mA。
圖3. 模擬輸入/輸出模塊。
輸出模塊：表2列出了PLC輸出模塊的一些關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格。因?yàn)檎鎸?shí)系統(tǒng)的精度有賴于測量通道(ADC)，所以控制機(jī)制(DAC)僅需要足夠的分辨率去調(diào)節(jié)輸出。對于高端系統(tǒng)而言，需要16位的分辨率，采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模轉(zhuǎn)換架構(gòu)很容易滿足這個(gè)要求。精度并非至關(guān)重要；一般來說，12位積分非線性誤差(INL)對于高端系統(tǒng)已經(jīng)足夠。
通過超輸出量程并調(diào)整達(dá)到期望值，可以很容易實(shí)現(xiàn)25℃時(shí)0.05%的校準(zhǔn)精度。如今的16位DAC，例如AD5066,4 可提供25°C時(shí)0.05mV典型偏移誤差，以及0.01%典型增益誤差，在很多情況下無需校準(zhǔn)。0.15%的總精度誤差看起來很容易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上在超溫情況下這個(gè)指標(biāo)是比較嚴(yán)苛的。在工業(yè)溫度范圍上，30ppm/°C的輸出漂移會增加0.18%的誤差。
表2. 輸出模塊技術(shù)規(guī)格。
| 系統(tǒng)規(guī)范 | 要求 |
| 分辨率 | 16 位 |
| 校準(zhǔn)精度 | 0.05% |
| 總模塊精度誤差 | 0.15% |
| 斷路檢測 | 需要 |
| 短路檢測 | 需要 |
| 短路保護(hù) | 需要 |
| 隔離 | 需要 |
輸出模塊可具有電流輸出、電壓輸出，或者兩者兼具。圖4所示是一個(gè)采用分立器件實(shí)現(xiàn)4mA至20mA環(huán)路的經(jīng)典解決方案。16位nanoDAC?數(shù)模轉(zhuǎn)換器 AD5660 可提供0V至5V輸出電壓，該電壓通過感應(yīng)電阻RS設(shè)置電流，再經(jīng)由R1。此電流通過R2實(shí)現(xiàn)鏡像。
設(shè)定 RS = 15 kΩ, R1 = 3 kΩ, R2 = 50 Ω利用 5V DAC 將獲得IR2 = 20 mA (最大值)。
圖4. 分立電路實(shí)現(xiàn)4mA到20mA輸出。
這種分立設(shè)計(jì)方案有很多缺陷：器件數(shù)量多，造成系統(tǒng)復(fù)雜、大的電路板尺寸以及成本；總誤差難以計(jì)算，多個(gè)器件導(dǎo)致誤差度隨著不同極性系數(shù)而變化；這種設(shè)計(jì)不能提供短路檢測/保護(hù)或者任何故障診斷；不包括許多工業(yè)控制模塊中必需的電壓輸出。添加任何這類特性都將會導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜性和器件數(shù)量的增加，更好的解決方案是集成上述所有特性的單芯片IC，例如， AD5412/AD5422 這些低成本、高精度的12位/16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器?；谶@些器件的方案能夠提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，專為滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)。
圖5. AD5422可編程電壓/電流輸出。
輸出電流范圍可編程為：4mA至20 mA、0mA至20mA或者擴(kuò)展的0mA至24mA。電壓輸出由獨(dú)立的引腳提供，輸出范圍可以設(shè)置為：0V至5V、0V至10V、±5V或±10V，并且所有范圍都允許擴(kuò)展10%。模擬輸出具有短路保護(hù)，在發(fā)生錯(cuò)誤接線輸出時(shí)，這是一個(gè)關(guān)鍵特性——例如，用戶將輸出連接到地而非負(fù)載。AD5422也具有斷路檢測特性，能夠監(jiān)控電流輸出通道，以確保在輸出和負(fù)載之間沒有故障發(fā)生。在斷路情況下，F(xiàn)AULT管腳將激活，向系統(tǒng)控制器報(bào)警?？删幊屉娏?電壓輸出驅(qū)動器 AD5750 則兼具短路檢測和保護(hù)特性。
圖6所示為用于PLC評估系統(tǒng)的輸出模塊。早期的系統(tǒng)一般需要隔離500V至1kV的電壓，而現(xiàn)今通常需要隔離高于2KV的電壓。 ADuM1401 數(shù)字隔離器采用 iCoupler5 技術(shù)，為MCU和遠(yuǎn)端負(fù)載之間，或者輸入/輸出模塊和背板之間提供必要的隔離。ADuM1401的3個(gè)通道在一個(gè)方向上進(jìn)行通信，第4個(gè)通道在相反方向進(jìn)行通信，提供來自轉(zhuǎn)換器的隔離數(shù)據(jù)回讀。對于更新的工業(yè)設(shè)計(jì)，ADuM3401 及該系列數(shù)字隔離器的其它產(chǎn)品能夠提供增強(qiáng)的系統(tǒng)級ESD保護(hù)。
圖6. 輸出模塊級。
AD5422產(chǎn)生自己的邏輯電源(DVCC)，它能被直接連接到ADuM1401的現(xiàn)場側(cè)，而無需攜帶邏輯電源通過隔離勢壘。AD5422包括一個(gè)內(nèi)部感應(yīng)電阻，但是當(dāng)要求更低的漂移時(shí)，也可采用一個(gè)外部感應(yīng)電阻(R1)。因?yàn)楦袘?yīng)電阻控制輸出電流，其電阻的任何漂移都將影響輸出。內(nèi)部感應(yīng)電阻的典型溫度系數(shù)是15ppm/°C至20ppm/°C，在60°C溫度范圍上會增加0.12%的誤差。在高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，一個(gè)外部感應(yīng)電阻(2ppm/°C)能被用于保持漂移小于0.016%。
AD5422內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源(最大漂移10ppm/°C)，這個(gè)基準(zhǔn)電壓源在PLC評估系統(tǒng)中的所有4個(gè)通道上均可被激活。另一個(gè)選擇方案是超低噪聲XFET基準(zhǔn)電壓源 ADR445 它具有0.04%的內(nèi)部精度，溫漂3ppm/°C，可用于兩個(gè)輸出通道，選擇內(nèi)置或是外部基準(zhǔn)電壓取決于總的系統(tǒng)性能需求。
輸入模塊： 輸入模塊的技術(shù)規(guī)格與輸出模塊相似。通常，高分辨率和低噪聲是很重要的。在工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)測量來自熱電偶、應(yīng)變計(jì)以及橋式壓力傳感器的低水平信號時(shí)，通常需要差分輸入信號，以抑制來自電機(jī)、交流電力線，或其它的噪聲源(這些噪聲源將噪聲引入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)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?yàn)樗鼈兡軌蛱峁└呔燃案叻直媛?。此外，其?nèi)置可編程增益放大器(PGA)可以精確測量小的輸入信號。圖7所示為用于評估系統(tǒng)的輸入模塊設(shè)計(jì)。3通道、24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793 被配置為可提供較大范圍的輸入信號，例如4mA至20mA、±10V以及直接來自傳感器的小信號輸入。
圖7. 輸入模塊設(shè)計(jì)。
這種普遍的輸入設(shè)計(jì)很容易適應(yīng)RTD/熱電偶模塊。如圖所示，每個(gè)輸入通道提供兩個(gè)輸入接線端子。一個(gè)輸入端子直接連到AD7793。用戶可以對內(nèi)置PGA進(jìn)行編程，以提供高達(dá)128的模擬增益。第二個(gè)輸入端子使信號能夠通過JFET輸入儀表放大器 AD8220 被調(diào)理。這樣，輸入信號就被削弱、放大，并經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，以提供單端輸入信號給ADC。除了提供電平轉(zhuǎn)換功能，AD8220還具有非常好的共模抑制特性，這在寬動態(tài)范圍的應(yīng)用中很重要。
低功耗、高性能的AD7793功耗小于500μA，而AD8220功耗小于750μA。這個(gè)通道被設(shè)計(jì)為可接受4mA至20mA、0V至5V以及0V至10V的模擬輸入信號。輸入模塊的其它通道針對雙極性工作方式設(shè)計(jì)，可接受±5V 和±10V的輸入信號。
為測量一個(gè)4mA至20mA輸入信號，一個(gè)低漂移精密電阻通過開關(guān)(S4)連入電路。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，該電阻的阻值為250Ω，但是，只要產(chǎn)生的電壓在AD8220的輸入范圍內(nèi)，就可以用任意電阻值。在測量電壓時(shí)，S4保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。
大多數(shù)輸入模塊設(shè)計(jì)都需要隔離。圖7展示了在PLC評估系統(tǒng)的一個(gè)通道上如何實(shí)現(xiàn)隔離。4通道數(shù)字隔離器ADuM5401 采用isoPower?6 技術(shù)，可提供2.5kV的有效值(RMS)信號和功率隔離。除了提供4個(gè)隔離的信號通道，ADuM5401還包含1個(gè)隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的5V、500mW輸出信號，以驅(qū)動輸入模塊的模擬電路
完整的系統(tǒng)：圖8所示為完整系統(tǒng)的概覽。 ADuC7027 精密模擬微控制器7是主要的系統(tǒng)控制器。其內(nèi)嵌ARM7TDMI內(nèi)核，32位架構(gòu)可輕松實(shí)現(xiàn)該器件與24位ADC的連接。它還支持16位thumb模式，如果需要，可實(shí)現(xiàn)更高的代碼密度。ADuC7027帶有16kB片上閃存，并可外接512kB存儲器。高精度、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)ADP3339 可為微控制器提供穩(wěn)壓電源。
圖8. 系統(tǒng)級設(shè)計(jì)。
評估板和PC之間的通信通過ADM3251E提供，該器件與RS-232收發(fā)器隔離。ADM3251E結(jié)合了isoPower技術(shù)，無需另外的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。它非常適于嚴(yán)苛電力環(huán)境下的操作，或者需要頻繁插拔RS-232電纜的場合，因?yàn)镽S-232的引腳，包括Rx和Tx，都需要防范±15kV的靜電放電干擾。
評估系統(tǒng)軟件和評估工具：這套評估系統(tǒng)具有多種功能。與PC的通信可通過LabView8實(shí)現(xiàn)。微控制器(ADuC7027)的固件用C語言編寫，能夠控制往來ADC和DAC通道的低級命令。
圖9所示為主屏幕界面。左側(cè)的下拉菜單使用戶能夠選擇激活的ADC和DAC通道。在每一個(gè)ADC和DAC菜單下方是一個(gè)范圍設(shè)置下拉菜單，用于選擇期望的輸入和輸出范圍進(jìn)行測量和控制。它支持的輸入和輸出范圍包括：4mA至20mA、0mA至20mA、0mA至24mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。通過利用內(nèi)置的PGA，ADC可直接提供小的信號輸入范圍。
圖9. 評估軟件主屏幕控制器。
圖10所示的是ADC配置屏，用于設(shè)置ADC通道、更新速率和PGA增益；使能或禁止激勵(lì)電流；以及其它通用ADC設(shè)置。通過將相應(yīng)的DAC輸出通道連接到ADC輸入端，并調(diào)整每個(gè)范圍，可以校準(zhǔn)每個(gè)ADC通道。采用這種校準(zhǔn)方法時(shí)，AD5422的偏移和增益誤差指示每個(gè)通道的偏移和增益。如果這些不夠精確，可采用超高精度電流和電壓源進(jìn)行校準(zhǔn)。
圖10. ADC配置屏幕。
在選擇ADC的輸入通道、輸入范圍和更新速率之后，現(xiàn)在我們利用ADC Stats屏幕，如圖11所示，顯示一些被測量的數(shù)據(jù)。在這個(gè)屏幕上，用戶選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行記錄；軟件生成所選通道的柱狀圖，計(jì)算峰-峰(P-P)和有效值(RMS)噪聲并顯示結(jié)果。在此處顯示的測量范例中，輸入信號通過AD8220被連接到AD7793：增益=1，更新速率=16.7Hz，采樣數(shù)=512，輸入范圍=±10V，輸入電壓=2.5V。峰-峰分辨率為18.2位。
圖11. ADC統(tǒng)計(jì)屏幕。
在圖12中，輸入信號被直接連接到AD7793，繞過AD8220。片上2.5V基準(zhǔn)電壓被直接連到AD7793的AIN+和AIN–通道，提供一個(gè)0V的差分信號給ADC。峰-峰分辨率是20.0位。如果ADC條件保持相同，但2.5V的輸入被連接到AD8220，則峰-峰分辨率下降到18.9位，其原因有兩個(gè)：在低增益時(shí)，AD8220帶給系統(tǒng)一些噪聲；提供輸入衰減的可調(diào)電阻導(dǎo)致ADC出現(xiàn)一些范圍損失。PLC評估系統(tǒng)允許用戶改變可調(diào)電阻以優(yōu)化ADC的滿量程范圍。
圖12. AD7793性能。
電源輸入保護(hù)：PLC評估系統(tǒng)采用針對電磁兼容(EMC)的最佳實(shí)踐。一個(gè)穩(wěn)壓直流電源(18V至36V)通過2線或3線接口連接到板上。電源必須防范故障和電磁干擾(EMI)。如圖13所示，在板級設(shè)計(jì)中采取下列防御措施，以確保PLC評估系統(tǒng)免于電源端口可能產(chǎn)生的各種干擾。
圖13. 電源輸入保護(hù)。
- 壓敏電阻R1被連接到靠近電源輸入端口的地。在常規(guī)操作期間，R1的阻抗非常高(兆歐姆)，因此漏電流很低(微安培)。當(dāng)一個(gè)電流浪涌(例如由閃電引起)被感應(yīng)到電源輸入端口時(shí)，壓敏電阻擊穿，微小的電壓變化就會導(dǎo)致快速的電流變化。在數(shù)十納秒(ns)內(nèi)，壓敏電阻的阻抗顯著下降。這種低阻抗路徑可使得多余的能量浪涌返回到輸入端，這樣就保護(hù)了IC線路。3個(gè)可選的壓敏電阻(R2、R3和R4)也被連接到輸入路徑中，以便在PLC板采用3線配置供電時(shí)提供保護(hù)。這些壓敏電阻的成本一般低于1美元。
- 一個(gè)正溫度系數(shù)電阻PTC1與電源輸入走線串聯(lián)連接。在常規(guī)運(yùn)行期間，PTC1的阻抗非常低，對電路的其余部分沒有影響。當(dāng)電流超出標(biāo)稱值時(shí)，PTC1的溫度和阻抗都會迅速增加。這種高阻抗模式限制了電流并保護(hù)了輸入電路。當(dāng)電流減少到標(biāo)稱值時(shí)，阻抗就回到標(biāo)準(zhǔn)值。
- 當(dāng)PLC板浮動時(shí)，Y電容器C2、C3和C4可抑制共模傳導(dǎo)EMI。這些安全電容器要求具有低阻抗和高耐壓的特性。設(shè)計(jì)人員必須采用具有UL或CAS認(rèn)證的Y電容器，并遵守絕緣強(qiáng)度法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。
- 電感器L1和L2濾掉從電源端口進(jìn)入的共模傳導(dǎo)干擾信號。二極管D1保護(hù)系統(tǒng)不受反向電壓影響。工作電流下規(guī)定了一個(gè)低的正向電壓的通用硅或肖特基二極管可被使用。
模擬輸入保護(hù)：PLC板能夠提供電壓和電流輸入。圖14所示為輸入電路結(jié)構(gòu)。負(fù)載電阻R5被切換進(jìn)電路以實(shí)現(xiàn)電流模式。電阻R6和R7削弱輸出信號。電阻R8設(shè)置AD8220的增益。這些模擬輸入端口會受到外部終端連接的電涌和靜電放電干擾。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)可提供高效保護(hù)使其免受放電干擾。當(dāng)一個(gè)高能量瞬態(tài)電壓出現(xiàn)在模擬輸入端口時(shí)，TVS在幾納秒內(nèi)從高阻抗降到低阻抗。它能吸收功率高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌信號，并將模擬輸入信號鉗制到一個(gè)預(yù)置電壓，這樣就保護(hù)精密器件免受浪涌損害。TVS的優(yōu)點(diǎn)包括具有快速響應(yīng)時(shí)間、高瞬態(tài)吸收功率、低漏電流、低擊穿電壓誤差，以及小封裝尺寸。
圖14. 模擬輸入保護(hù)。
儀表放大器經(jīng)常被用于處理模擬輸入信號。這些精密的、低噪聲器件對干擾很敏感，因此流進(jìn)模擬輸入端口的電流應(yīng)被限制在幾毫安以下。外部肖特基二極管通?？杀Ｗo(hù)儀表放大器。即使在已具有內(nèi)置ESD保護(hù)二極管的情況下，采用外部二極管也可使限制電阻更小并減小噪聲和偏移誤差。雙肖特基勢壘二極管D4-A和D4-B驅(qū)動過流到達(dá)電源或地。
當(dāng)把連接外部傳感器例如熱電偶(TC)或電阻溫度檢測器(RTD)直接連到ADC時(shí)，需要類似的保護(hù)，如圖15所示。
圖15. 模擬輸入保護(hù)。
- 兩個(gè)TVS網(wǎng)絡(luò)(D5-C和D5-D)被放在J2輸入管腳后，以抑制來自端口的瞬態(tài)信號。
- C7、C8、C9、R9和R10構(gòu)成ADC前面的RF衰減濾波器。這個(gè)濾波器有三個(gè)作用：從輸入線路中去掉盡可能多的RF能量，以保持每條線路和地之間的交流信號平衡，并維持足夠高的測量帶寬輸入阻抗，以避免載入信號源。該濾波器在-3dB差分和共模帶寬分別是7.9kHz和1.6MHz。
模擬輸出保護(hù)： PLC評估系統(tǒng)可通過軟件配置為各種范圍內(nèi)的輸出模擬電壓或電流。輸出信號由AD5422提供，該器件是一款高精度、低成本、完全集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它能提供可編程電流源和可編程電壓輸出。AD5422的電壓和電流輸出可被直接連到外部負(fù)載上，因此它們易受到電壓浪涌和EFT脈沖的影響。
輸出電路結(jié)構(gòu)如圖16所示。
圖16. 模擬輸出保護(hù)。
- 一個(gè)TVS(D11)被用于濾除并抑制來自端口J5的所有瞬態(tài)信號。
- 一個(gè)絕緣的陶瓷鐵氧體磁珠(L3)串聯(lián)進(jìn)輸出路徑，以增加對高頻瞬態(tài)噪聲的隔離和去耦效果。在低頻(<100 kHz)時(shí)，鐵氧體被感應(yīng)；因此它們在低通LC濾波器中是有益的。在100kHz以上，鐵氧體不能被感應(yīng)，這是高頻濾波器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要特性。鐵氧體磁珠具有三個(gè)作用：局部化系統(tǒng)噪聲，阻止外部高頻噪聲到達(dá)AD5422，并防止內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲波及系統(tǒng)其余部分。當(dāng)鐵氧體處于飽和狀態(tài)時(shí)，它們就變成非線性的并會損失濾波特性。因此，鐵氧體的直流飽和電流一定不能超出其限制范圍，特別是當(dāng)產(chǎn)生高電流時(shí)。
- 雙肖特基勢壘二極管D9-A和D9-B將所有的過流都轉(zhuǎn)移到正或負(fù)電源。在AD5422驅(qū)動1μF容性負(fù)載時(shí)，C22提供電壓輸出緩沖以及相位補(bǔ)償。
- 電流輸出通道上的保護(hù)線路與電壓輸出通道上的相當(dāng)類似，只是用一個(gè)10Ω電阻(R17)取代了鐵氧體磁珠。從AD5422輸出的電流被外部的分立式NPN晶體管Q1提升。通過減小流入片上輸出晶體管的電流，外部升壓晶體管的加入將減少AD5422中的功率損耗。Q1的擊穿電壓BVCEO應(yīng)大于60V。在AD5422被用于極端供電電壓、負(fù)載電流和溫度范圍情況的應(yīng)用中，這種外部升壓能力是很有益的。升壓晶體管還可被用于減少溫度感應(yīng)漂移，從而使片上基準(zhǔn)電壓的漂移達(dá)到最小，并改善器件的漂移和線性度。
- 一個(gè)15kΩ的精密低漂移電流設(shè)置電阻(R15)被連接到RSET，以改善電流輸出穩(wěn)定性。
- 在AD5422由外部電壓驅(qū)動時(shí)，PLC演示系統(tǒng)可被配置為提供高于15V的電壓輸出。TVS用于保護(hù)電源輸入端口。二極管D6和D7提供反向偏置保護(hù)。所有電源采用10μF的固態(tài)鉭電容和0.1μF的陶瓷電容去耦。
IEC測試及結(jié)果：表3中的結(jié)果顯示出在測試期間發(fā)生的DAC輸出偏離情況。測試完成之后輸出值恢復(fù)到初始值，這一般是指B級。A級意味著在測試期間，偏離值處于允許的系統(tǒng)精度范圍內(nèi)。典型的工業(yè)控制系統(tǒng)精度大約是0.05%。
表3. IEC測試結(jié)果。
| 測試項(xiàng)目 | 描述 | 結(jié)果 |
| EN和IEC 61000-4-2 | 靜電保護(hù)(ESD)，±4kV VCD | B級,通道3最大偏離0.32% |
| 靜電保護(hù)(ESD)，±8kV VCD | B級，通道3最大偏離0.28% | |
| EN和IEC 61000-4-3 | 輻射抗擾度 80MHz 至1GHz 10V/m，垂直天線極化 |
通道1最大偏離0.09%，B級通道3最大偏離0.30% |
| 輻射抗擾度 80MHz 至1GHz 10V/m,垂直天線極化 |
通道1最大偏離-0.04%, B級通道3最大偏離0.22% | |
| 輻射抗擾度 1.4MHz至2GHz 3V/m，垂直天線極化 |
通道1最大偏離0.01%，B級通道3最大偏離-0.09% | |
| 輻射抗擾度 1.4MHz至2GHz 3V/m，垂直天線極化 |
通道1最大偏離0.01%， B級通道3最大偏離0.09% | |
| EN 和IEC 61000-4-4 | 電快速瞬變脈沖群(EFT)，±2kV 電源端口 | B級,通道3，最大偏離-0.12% |
| 電快速瞬變脈沖群(EFT)，±1kV 信號端口 |
A級，通道3，最大偏離–0.02% | |
| EN 和IEC 61000-4-5 | 電力線浪涌電壓，±0.5 kV | 未發(fā)生電路板或部件損壞，通過B級 |
| EN和IEC 61000-4-6 | 電源線傳導(dǎo)抗擾度測試， 10V/m ，持續(xù)5分鐘 |
B級，通道3，最大偏離0.09% |
| 輸入/輸出線纜傳導(dǎo)抗擾度測試，10V/m ，持續(xù)5分鐘 | B級，通道3，最大偏離-0.93% | |
| EN和IEC 61000-4-8 | 磁抗擾度 水平天線極化 | A級，通道3，最大偏離–0.01% |
| 磁抗擾度 垂直天線極化 | A級，通道3，最大偏離–0.02% |
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圖17. DAC通道直流電壓輸出。輻射抗擾度 80MHz至1GHz @ 10V/mH。
圖18. DAC通道1直流電壓輸出。輻射抗擾度 1.4MHz至2GHz @ 3V/mH。
典型系統(tǒng)配置：圖19的照片展示了評估系統(tǒng)以及如何配置一個(gè)典型系統(tǒng)。輸入通道可接受環(huán)路供電和非環(huán)路供電傳感器輸入，以及標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流和電壓輸入。完整的設(shè)計(jì)采用ADI的轉(zhuǎn)換器、隔離技術(shù)、處理器，以及電源管理產(chǎn)品，使客戶能夠輕松評估整個(gè)信號鏈。
圖19. 工業(yè)控制評估系統(tǒng)。
工商網(wǎng)監(jiān)
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