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）和电源管理电路。

　　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