ADC和DAC作为闭环控制系统核心的关键作用和性能优势的详细分析

引言

在当今工业自动化应用中，复杂的控制系统代替人工来操作不同的机器和过程。术语“自动化”指其智能化足以制定正确的过程决策从而实现目标结果的系统。我们这里所说的“系统”是指闭环控制系统。这些系统依赖于输入至控制器的传感器数据，提供反馈，控制器据此采取措施。这些措施就是控制器输出的变化。通过确保高性能、高可靠性工业操作，闭环控制系统对于现代化工业4.0工厂的工业自动化和效率至关重要。

本文讨论闭环系统的关键要素，重点关注模/数转换器(ADC)和数/模转换器(DAC)的关键角色。文章介绍多片高速ADC和DAC作为控制系统核心的关键作用和性能优势。最后，我们以MAXREFDES32和MAXREFDES71参考设计为例，介绍隔离电源和数据子系统在工业闭环中的应用。

开环和闭环系统概览

工业控制系统可分为两类：开环和闭环系统。

开环控制系统为连续控制系统，不提供来自于输出的反馈。因此，控制过程只受系统输入的影响。传统上，电控制系统主要为开环，要求人工调节过程变量，以实现或维持预期输出。典型的自动喷洒系统就是开环系统的一个例子。喷洒器的控制器只知道何时打开阀门以及何时将其关闭，并不利用传感器检测土壤的含水量或者利用数据转换器将数据输入至控制器。所以，即使土壤已经湿透或是下雨天，自动喷洒系统仍然会打开阀门；只要没有人手动关闭系统，系统就会执行其任务。开环系统的缺点显而易见：没有任何反馈，系统不能自动调节其过程来更改其输出。因此，开环系统的刚性、不灵活性使其不适合工业控制自动化应用的速度和可变性要求。此外，工厂需要雇佣许多人来监督和管理系统！

现在，我们讨论一下闭环控制。闭环控制系统从传感器收集反馈信息，并对其输出做出相应的过程调节，完全自动化、无需人工介入。家庭中带有温度监控器的暖气系统就是闭环系统的例子。本例中，设定的温度目标是系统的输入，实时环境温度是系统的反馈。温度监控器中的温度传感器将温度数据反馈给控制器。通过将检测的环境温度与设定的温度目标进行比较，控制器做出相应的决策，决定何时打开/关闭锅炉或空调。

高性能闭环设计的关键

电子闭环控制系统通常包括三种元素：控制器、反馈信号输入(ADC)和输出执行器(DAC)。ADC检测并向控制器反馈重要信息。控制器基于反馈信息制定决策，调节控制量；向DAC执行器发送信号，后者处理控制量输出。ADC和DAC的速度和精度对闭环至关重要。如果控制系统不能足够快地响应故障条件，就可能发生灾难性系统故障。

模拟输出的高速和低噪声性能

好的闭环控制系统要求ADC具有高分辨率、低失真以及快采样率，以获得快速、高精度反馈。

图1和2所示为交流信号的FFT和直流直方图结果。交流输入信号的快速傅里叶变换(FFT)和直流输入信号的直方图提供了关于A/D转换系统性能的重要信息。

图1. 通道1 (AIN1)的交流FFT，使用板载电源；差分-12V至+12V、20kHz正弦波输入信号；400ksps采样率；Blackman-Harris窗；室温。数据来自于MAXREFDES71参考设计。

图2. 通道1 (AIN1)的直流直方图，使用板载电源；0V直流输入信号；400ksps采样率；65,536个采样；编码分散性为6 LSB，98.6%的编码在三个中心LSB之内；标准偏差为0.664；室温。数据来自于MAXREFDES71参考设计。

 

对低失真、正弦波信号的一组采样进行FFT分析，常用于判定A/D转换系统的动态性能。低失真信号源、高于被测系统的分辨率绝对是必不可少的。部分重要的动态指标有：

●信噪比(SNR)

●总谐波失真(THD)

●信号与噪声+失真比(SINAD)

●无杂散动态范围(SFDR)

SNR为输入信号均方根值(RMS)与A/D转换系统产生的RMS量化误差之比。从图1中400ksps高速采样的FFT图表可知，SNR大约为90dB。这意味着输入信号的RMS值比RMS量化误差大30,000倍(计算公式为XdB = 20 × log(ratio))。显而易见，比值越大，A/D转换系统的量化误差越小。类似地，THD为输入信号与总谐波失真之比。SINAD为输入信号与量化误差加谐波失真之比，SFDR为输入信号与最大失真分量之比。