一款基于完整数据采集系统的设计方案

　　简介

　　可编程逻辑控制器（PLC）是很多工业自动化和过程控制系统的核心，可监控和控制复杂的系统变量。基于PLC的系统采用多个传感器和执行器，可测量和控制模拟过程变量，例如压力、温度和流量。PLC广泛应用于众多不同应用，例如工厂、炼油厂、医疗设备和航空航天系统，它们需要很高的精度，还要保持稳定的长时间工作。此外，激烈的市场竞争形势要求必须降低成本和缩短设计时间。因此，工业设备和关键基础设施的设计人员在满足客户对精度、噪声、漂移、速度和安全的严格要求方面遇到了严峻的挑战。本文以PLC应用为例，说明多功能、低成本的高度集成 ADAS3022如何通过更换模拟前端（AFE）级，降低复杂性、解决多通道数据采集系统设计中遇到的诸多难题。这种高性能器件具有多个输入范围，非常适合高精度工业、仪器、电力线和医疗数据采集卡应用，可以降低成本和加快产品面市，同时占用空间很小，易于使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

　　PLC应用示例

　　图1显示在工业自动化和过程控制系统中使用PLC的简化信号链。PLC通常包括模拟和数字输入/输出（I/O）模块、中央处理器（CPU）和电源管理威廉希尔官方网站 。

　　在工业应用中，模拟输入模块可获取和监控恶劣环境中的远程传感器信号，例如存在极端温度和湿度、振动、爆炸化学物品的环境。典型信号包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的单端电压或差分电压，或者0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA范围的环路电流。当遇到具有严重电磁干扰（EMI）的长电缆时，通常使用电流环路，因为它们本身具有良好的抗扰度。

　　模拟输出模块通常控制执行器，例如继电器、电磁阀和阀门等，以形成完整自动化控制系统。它们通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的输出电压，以及4 mA至20 mA的环路电流输出。

　　典型模拟I/O模块包括2个、4个、8个或16个通道。为满足严格行业标准，这些模块需要提供过压、过流和EMI浪涌保护。大多数PLC包括ADC和CPU之间、CPU和DAC之间的数字隔离。高端PLC可能还有国际电工委员会（IEC）标准规定的通道间隔离。很多I/O模块可以对每通道的对单端或差分输入范围、带宽和吞吐率单独进行软件编程。

　　在现代PLC中，CPU自动执行多个控制任务，利用实时信息访问进行智能决策。CPU可能包含高级软件和算法以及Web连接，用于差错校验诊断和故障检测。常用通信接口包括RS-232、RS-485、工业以太网、SPI和UART.

　　

　　图1. 典型PLC信号链

　　分立式数据采集系统方案

　　工业设计人员可以使用分立式高性能组件，为PLC或类似数据采集系统构建模拟模块，如图2所示。主要设计考虑因素包括输入信号配置、整体系统速度、精度和精确性。此处所示的信号链采用ADG1208/ADG1209低泄漏多路复用器、 AD8251快速建立可编程增益仪表放大器（PGIA）、 AD8475高速漏斗放大器\AD7982差分输入18位PulSAR®ADC 和 ADR4550超低噪声基准电压源。这种解决方案提供四个不同增益范围，但在±10 V的最大输入信号的情况下，设计人员必然会担心多路复用器的切换和建立时间，以及其他模拟信号调理问题。此外，在1 MSPS速率下实现真正的16位性能可能是一个严峻挑战，即便在使用这些高性能器件时也是如此。

　　AD7982具有满量程阶跃的290 ns瞬态响应性能。因此，要在1 MSPS速率下进行转换的同时保证指定性能，PGIA和漏斗放大器必须在710 ns时间内建立。但是，AD8251针对10 V阶跃达到16位转换精度（0.001%）的建立时间为785ns，因此该信号链的保证最大吞吐率将小于1 MSPS.

　　

　　图2. 使用分立式元件的模拟输入信号链

　　集成式解决方案简化数据采集系统设计

　　16位1 MSPS ADAS3022数据采集系统IC采用专有高压工业工艺技术iCMOS®制造，集成8通道、低泄漏多路复用器；高阻抗PGIA （具有高共模抑制）；高精度低漂移4.096 V基准电压源和缓冲器；16位逐次逼近型ADC.如图3所示。

　　

　　图3. ADAS3022功能框图

　　这个完整传感器数据采集解决方案占用的威廉希尔官方网站 板空间仅为分立方案的三分之一，有助于工程师简化设计，同时减小高级工业数据采集系统的尺寸，缩短产品面市时间，节省成本。它使得我们无需对输入信号进行缓冲、电平转换、放大、衰减或其他调理，也消除了我们对共模抑制、噪声和建立时间的担忧，还解决了与设计高精度16位1 MSPS数据采集系统相关的诸多难题。它可在1 MSPS速率下（典型 SNR为91 dB）提供同类最佳的16位精度（典型INL为±0.6 LSB）、低失调电压、低温度漂移和优化噪声性能，如图4所示。该器件的额定温度范围为-40°C至+85°C工业温度范围。

　　

　　图4. ADAS3022的INL和FFT性能

　　PGIA具有很大的共模输入范围、真正的高阻抗输入（>500 MΩ）和宽动态范围，这使得它能够处理4 mA至20 mA的环路电流，精确测量小传感器信号，抑制交流电力线、电机和其他来源的干扰（90 dB的最小CMR）。

　　辅助差分输入通道可处理±4.096 V输入信号。它旁路多路复用器和PGIA级，允许与16位SAR ADC直接接口。片内温度传感器可以监控本地温度。

　　这种高集成度可以节省威廉希尔官方网站 板空间，降低整体部件成本，使得ADAS3022非常适合空间受限的应用，例如自动测试设备、电力线监控、工业自动化、过程控制、病人监护以及其他工业和仪表系统，它们都采用±10 V的工业信号电平工作。

　　

　　图5. 采用集成PGA的完整5 V、单电源、8通道数据采集解决方案

　　图5显示完整的8通道数据采集系统（DAS）。ADAS3022采用±15 V和+5 V模拟和数字电源，以及1.8V至5V逻辑I/O电源。高效率、低纹波DC-DC升压转换器 ADP1613使得DAS能够采用5 V单电源工作。ADP1613使用 ADIsimPower™设计工具配置为单端初级塬边电感（SEPIC）拓扑，提供多路复用器和PGIA所需的±15 V双极性电源，而不会影响性能。

　　表1对ADAS3022和分立信号链的噪声性能进行了比较，并利用每个元件的输入信号幅度、增益、等效噪声带宽（ENBW）和折合到输入端的（RTI）噪声，计算整个信号链的总噪声。

　　表1. ADAS3022和分立信号链的噪声性能

　　

　　AD8475和AD7982（图2）之间的单极点低通滤波器（LPF）可以衰减来自AD7982的开关电容输入的反冲，限制高频噪声量。LPF的-3 dB带宽（f-3dB） 为6.1 MHz（R = 20 Ω，C = 1.3 nF），在1 MSPS速率下进行转换时，可快速建立输入信号。LPF的ENBW计算方法为：

　　ENBW = π/2 × f-3dB = 9.6 MHz

　　请注意，此计算方法忽略了来自基准电压源和LPF的噪声，因为它不会对主要由PGIA决定的总噪声产生很大影响。

　　以使用±5 V输入范围为例。在此情况下，AD8251的增益设置为2.漏斗放大器设置的固定增益为0.4，适用于所有四种输入范围。因此AD7982要处理0.5V 至4.5V的差分信号（4 V p-p）。ADG1208的RTI噪声从Johnson/Nyquist噪声公式得出：en2 = 4KBTRON， 其中KB = 1.38 × 10 23 J/K， T = 300K， and RON = 270 Ω。

　　AD8251的RTI噪声由数据手册中增益为2时的27 nV/√Hz噪声密度得出。同样，AD8475的RTI噪声也由10 nV/√Hz噪声密度得出，使用的增益为0.8 （2 × 0.4）。在这些计算中，ENBW = 9.6 MHz.AD7982的RTI噪声则根据数据手册中增益为0.8时的95.5 dB SNR计算得到。整个信号链的总RTI噪声根据分立元件的RTI噪声的方和根（rss）计算。89.5 dB的总SNR可通过公式SNR = 20 log（VINrms/RTITotal）计算。

　　虽然分立信号链的理论噪声估计值（SNR）和整体性能与ADAS3022相当，特别是在低增益（G = 1和G = 2）和低吞吐率（远低于1 MSPS）条件下，但它并非理想解决方案。与分立式解决方案相比，ADAS3022可以节省大约50%的成本和大约67%的威廉希尔官方网站 板空间，它还可以接收其他三个输入范围（±0.64 V、±20.48 V、±24.576 V），这是分立式解决方案无法提供的。

　　结论

　　下一代工业PLC模块需要高精度、可靠运行和功能灵活性，所有这些特性都必须通过外形小巧的低成本产品提供。ADAS3022具有业界领先的集成度和性能，支持广泛的电压和电流输入，以便处理工业自动化和过程控制的各种传感器信号。ADAS3022是 PLC模拟输入模块和其他数据采集卡的理想之选，它使得工业制造商能够让他们的系统具有与众不同的特性，同时满足更加严苛的用户要求。