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用于PLC的精密信号处理和数据转换IC
现在可节省功耗、尺寸和成本的同时提高性能

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作者：Albert O'Grady

可编程逻辑控制器（PLC）是一种基于计算机的紧凑电子系统，该系统使用数字或模拟输入和输出模块控制机械、处理器和其它的控制模块。PLC能够接收（输入）和发送（输出）各种类型的电气和电子信号，并且使用它们实际控制和监视任何类型的机械和（或）电气系统。PLC可按照提供的I/O功能的数目分类。例如，nano PLC具有不足32个I/O，micro PLC具有32～128个I/O，small PLC具有128～256个I/O等等。典型的PLC系统框图如图1所示。

图1：PLC系统说明各种I/O模块功能的体系结构

PLC系统是由输入模块、输出模块以及输入和输出模块组成。由于许多输入和输出包含现实世界的模拟变量——虽然控制器是数字的——因此PLC系统硬件设计主要任务在于满足数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、输入和输出信号调理以及输入输出模块的接线与控制器和其它部件之间的隔离的要求。

I/O模块的分辨率通常在12 bit～16 bit范围内，并且在工业温度范围内具有0.1%的精度。模拟输出电压范围为±5 V，±10 V或0 V～5 V，0 V～10 V电源范围，电流范围为4 mA～20 mA或0 mA～20 mA。DAC的建立时间要求根据应用一般在10 µs～100 ms之间变化。模拟输入范围对于电桥传感器最小为±10 mV，对于执行机构控制器最大为±10 V，或者在工业控制系统中电流输入范围为4 mA～20 mA的。转换速率根据选择的ADC体系结构和所要求的精度决定，从10次每秒采样（SPS）到数百次每秒千次采样（kSPS）之间变化。

数字隔离器——光耦合器或电磁隔离器——用于系统将现场端的ADC、DAC和信号调理电路与数字端的控制器隔离。如果在模拟端也必须对系统完全隔离，那么在每一个输入或输出通道都需要有一个数据转换器以达到最大程度的通道隔离——并且需要通过变压器或ADI公司的isoPower™¹技术的隔离电源。

iCMOS™工艺
ADI公司采用PLC输入和输出部分的许多产品都受益于iCMOS工艺²，这是一种将亚微米CMOS工艺和互补双极性工艺与高电压硅硅工艺结合在一起的高性能制造工艺。

这种强大的组合允许单芯片设计成将5 V的CMOS电路和16 V、24 V或30 V高电压CMOS电路混合和匹配——为同一芯片提供多个电压源。鉴于这种器件组成和工作电压的灵活性，亚微米iCMOS器件能够提高性能、增加集成的功能并且降低功耗——因此需要比前几代高电压产品显著减小封装尺寸。双极性工艺可为ADC、DAC和低失调电压放大器提供精密的基准电压源、优良的电阻匹配精度和高稳定性。

具有12 bit初始匹配精度、16 bit微调匹配精度以及温度和电压系数比传统多晶硅电阻器高20倍的薄膜电阻器适合于高精密、高精度的数模转换器（DAC）。内置薄膜熔丝允许使用数字技术校准高精密转换器的积分线性误差（INL）、失调电压和增益。

PLC输出模块
PLC系统的模拟输出——通常用于控制工业环境中的执行机构、阀门和电机——使用标准的模拟输出范围，例如±5 V，±10 V，0 V～5 V，0 V～10 V，4 mA～20 mA或0 mA～20 mA。模拟输出信号链路通常包括数字隔离——隔离来自DAC和模拟信号调理电路的控制器的数字输出。数字隔离系统中的数据转换器主要使用3线或4线串行接口以最大程度减少所需的数字隔离器或光耦合器数目。

在PLC系统模拟输出模块中通常使用两种体系结构：每通道DAC配置和每通道采样保持配置。第一种体系结构在每一个通道使用专用DAC以产生其模拟控制电压或电流。虽然可提供多种多通道DAC可以节省每通道的成本和外形尺寸，但是通道之间需要隔离，所以通常使用单通道DAC。图2所示是典型的每通道DAC配置。最简单的DAC是低电压单电源供电DAC，采用2.5 V～5.5 V电源电压范围， 提供0 V～VREF输出范围。可对它们的输出信号进行调理以产生各种需要的电压或电流范围。需要双电源供电的双极性输出数据转换器是为必须提供双极性输出电压范围的输出模块提供的。

图2：每通道DAC配置体系结构

表I示出选择适合PLC输出模块应用的16 bit多通道DAC。这些产品可提供双极性或单极性输出范围，具有10 µs的建立时间。该系列的其它成员，可提供引脚与16 bit兼容的12 bit～14 bit分辨率版本——从而允许无需硬件改变直接从12 bit升级到16 bit链路，只需最小软件修改。这些DAC的大多数都集成了内置基准电压源，从而可提供全集成的输出解决方案。

四DAC非常适合于非隔离的多通道输出设计，该设计通过使用外部信号调理电路能够实现多达四个不同的输出配置。例如，图3示出AD5664R³ 16 bit电压输出四DAC如何提供规定的0 V～5 V输出范围——或者连接到用于多种标准输出电压范围或使用外部四运算放大器的灌电流输出。在双极性输出配置中，其内部基准电压源的外部输出可提供必需的跟踪失调电压。AD5664R采用5 V单电源供电，包含一个内部2.5 V、5 ppm/°C基准电压源，并且采用3 mm×3 mm LFCSP超小封装。

图3：使用多通道DAC提供±5 V，±10 V ，0 V～10 V，0 V～5 V和灌电流输出

图4示出在隔离的4 mA～20 mA电流环控制电路中采用的单通道数模转换器。AD5662⁴采用SOT-23封装，非常适合需要模拟输出之间完全隔离的应用。

图4：4 mA～20 mA的电流控制电路

AD5662的最大输出电压范围是5 V，AD5662由ADR02⁵提供基准电压，ADR02由可变环路电压提供稳压电源。使用一只运算放大器和晶体管电路可将该DAC的5 V输出范围转换为4 mA～20 mA电流输出。由于运算放大器的同相输入（N1）是虚地的，因此运算放大器可调节电流IS以保持通过RS和R3两端的电压降相等，从而

N2端的总电流提供环路电流，

N1端的电流相加得：

环路电流的4 mA失调分量由基准电压源提供：

环路电流的可设置0 mA～16 mA分量由DAC提供：

每通道的采样保持配置
另一种体系结构使用开关电容器和缓存器作为采样保持放大器（SHA）以存储从一个高性能DAC获得的输出采样，如图5所示。其使用一个模拟复用器对不同电容器的模拟信号进行切换采样。由于系统的保持精度由电容器的下降速率决定，因此需要经常刷新通道以保持要求的精度。根据输出要求，DAC可以是低电压单电源DAC或者双极性输出DAC。提供信号调理的缓冲器对电容器呈现高输入阻抗并且对驱动输出负载呈现低输出阻抗。

图5：单DAC体系结构

表II示出选择具有4 µs～10 µs满度建立时间的单通道16 bit DAC。它们采用超小表面贴封装形式供货，非常适合于采样保持输出体系结构。

开关和多路复用器
对于要求具有低尖峰毛刺和低注入电荷（Q_INJ）的低电容开关的采样保持和其它数据采集应用，采用iCMOS工艺的ADG12xx和ADG13xx 系列±15 V开关和多路复用器系列非常有用。

对于要求具有极低导通电阻（R_ON）的其它应用，ADG1408和ADG1409 ±15 V多路复用器可在全部信号范围内提供9 Ω最大值的R_ON。除了具有低R_ON外，它们优良的电阻均匀性（和电压均匀性）使它们成为要求低失真以达到可靠、可预测电路性能应用的理想解决方案。

表III列出了选择iCMOS开关和多路复用器所需的电容、Q_INJ和R_ON，并且将它们与流行的早期产品ADG508和ADG509进行了比较。

用于电源和数字信号的电流隔离
在PLC、过程控制、数据采集以及控制系统中，从各种传感器将数字信号发送到中央控制器以便处理和分析。为了在用户接口处保持安全电压并且防止瞬态电流损害从信号源发送的信号，我们需要进行电隔离。最常用的隔离器件是光耦合器、基于变压器的隔离器和电容耦合隔离器。

常用的光耦合器包括发光二极管（LED）——将电信号转换为相应的光强度，以及光电二极管——将光信号转换回到电信号。通常，它们的LED转换效率很低，并且光电二极管的响应速度很慢；总之，光耦合器趋向于寿命有限并且其性能随温度、速度和功耗变化过大。它们通常限于一个或两个通道配置并且需要外部元件构成完整的功能。

ADI公司已经开发出了新的隔离新方案，将芯片级变压器技术与集成的CMOS输入和输出电路集成在一起。这种iCoupler®系列隔离器件易于使用——比光耦合器减小了封装尺寸、降低了成本并且降低了功耗。iCoupler器件可提供多种通道配置和性能级别以及标准的CMOS接口，从而无需外部元件——提供随温度和电源电压变化性能稳定、长寿命、高性能性隔离器。ADuM2400⁶四隔离器是典型iCoupler隔离IC，它带接口和耦合变压器，如图6所示。

图6：ADuM2400四隔离器框图

iCoupler器件的数据速率和时序指标比常用的高速光耦合器快两到四倍——它们的工作功耗仅为光耦合器的1/50，同时相应地降低热功耗、提高可靠性并且降低成本。表IV示出可提供的通道配置选择。

在完全隔离系统中提供从系统端到场端的隔离电源是新兴解决方案要解决的另一个难题。通过隔离阻障传递电源所使用的传统技术包括分立的、体积相当大的、昂贵的DC/DC变换器或者难于设计和连接的分立封装。当前提供的一种高达50 mW最新、最好的方法是采用一种完整的集成隔离解决方案，包括使用微变压器通过隔离阻障传递信号和电源。ADuM524x isoPower系列产品可在单芯片内提供耐压高达5 kV的信号隔离和电源隔离——从而无需独立、隔离的供电电源，所以显著节省了总隔离系统成本、PCB面积要求和设计时间。典型的器件如图7所示。全部产品都经过UL，CSA和VDE安全认证。

图7：集成了DC/DC变换器的ADuM5242⁷双通道隔离器框图（0/2通道方向性）

PLC输入模块
为PLC系统体系选择体系结构和输入模块产品取决于需要监视的输入信号的幅度。来自各种类型传感器和需要监视的过程控制变量信号应在±10 mV～±10 V输入信号范围内。表V示出了一些对信号源及其典型输入范围的要求。

表V：模拟输入模块的低幅度信号范围

输入	±10 mV	±25 mV	±50 mV	±80 mV	±0.25 V	±0.5 V	±1 V	±1.25 V	±2.5 V	±5 V	±10 V
应变计
热电偶 K
T
J
N
E
R
S
B
U
L
电阻器 48 Ω
150 Ω
300 Ω
600 Ω
6 kΩ
RTD Cu10 Std
Ni St/Kl						Ni100	Ni120/200		Ni500	Ni1000
Pt Std							Pt100		Pt200	Pt500	Pt1000
空调					Pt100	Pt200		Pt500	Pt1000

工业和PLC应用可采用多种ADC——包括逐次逼近（SAR）式ADC、闪存或全并行ADC、积分式ADC（包括Σ-Δ ADC）以及斜坡或计数式ADC。选择适合某种应用的ADC主要由输入传感器所需要的输入信号范围——以及所要求的精度、信号频率、最大信号幅度和动态范围决定。最广泛使用的体系结构是SAR和Σ-Δ ADC。

SAR型ADC以高吞吐率提供12 bit～18 bit的分辨率；它们非常适合多通道多路复用应用，即需要以相当高的采样速率监测多个输入通道的应用场合。

Σ-Δ 体系结构可提供16 bit～24 bit分辨率。它们采用过采样和数字滤波技术达到高分辨率和高精度——但其吞吐率比SAR型ADC低。Σ-Δ体系结构通常包含模拟前端前端可编程增益放大器（PGA）；在每通道ADC应用中，这允许在传感器和ADC之间直接连接——无需信号调理。

当测量来自热电偶、应变计和桥式压力传感器的小幅度信号时，主要要求是完成差分测量以抑制共模干扰的能力并且在有噪声环境下提供比较稳定的读数信号的能力。例如在工业应用中，差分输入用于消除来自电机、交流（AC）电源线或（将噪声引入ADC的模拟输入端的）噪声源的共模噪声或干扰。

单端输入是一种降低成本的方法。对于相同数量的输入引脚，它可提供两倍的输入通道数，因为每个通道仅需要一个模拟输入端并且都以相同的接地端做参考端。它们主要用于大信号幅度、低噪声和稳定共模地的应用场合。

图8示出隔离的PLC输入模块分立解决方案中所包括的许多功能电路——包括激励和输入信号调理电路、用于处理多路输入信号带故障保护的多路复用器、PGA和ADC。上述许多功能电路以前都采用单独的IC和无源元件实现，现在可提供全集成和全功能解决方案——带ADC和模拟前端的IC。

图8：典型分立的PLC输入模块包含的功能

例如，内置基准电压源的AD761x（16 bit）和AD763x（18 bit）的iCMOS PulSAR® ADC系列可提供可设置输入电压范围（0 V～5 V，0 V～10 V，±5 V和±10 V），从而允许设计工程师动态改变输入范围。对于这些器件，所有的切换通过内部寄存器完成，从而避免了数据延迟并且改进了通道切换速度。表VI示出非常适合PLC应用的16 bit或18 bit PulSAR 系列ADC选择表。

另一个高度集成度ADC的实例为AD7792/AD7793/AD7794/AD7795/AD7798/AD7799 Σ-Δ ADC系列。该系列采用超小型TSSOP封装，除了具有超低噪声（40 nV）和低功耗（400 µA）外特性外，还可提供内置PGA（1～128增益）、基准电压源、传感器激励电流源和时钟。极低噪声和低功耗的完美结合使其适合于要求高精度测量的应用。

在许多应用中，这些ADC可直接连接到传感器接口，例如PLC、温度测量、电子秤、压力和流量测量以及通用测量设备。它们的更新速率可在4 Hz～500 Hz之间设置，并且对选择的更新速率提供50 Hz和60 Hz信号的同步抑制。表VII示出AD779x系列ADC所提供的特性和功能。

图9示出使用AD7794和AD7795测量来自桥接传感器和基于电阻的温度传感器的输入信号的典型配置。

图9：AD7794和AD7795实现低电压测量

当在PLC和工业I/O应用中需要对带故障保护功能高达±10 V输入电压进行高精密模拟信号测量时并且为多通道提供高吞吐率是至关重要的应用场合，AD7732（两个全差分输入通道），AD7743（四个单端输入通道）和AD7738（四个全输入或八个单端输入通道）理想的选择。

图10示出使用AD7743测量PLC和过程控制应用中常见的高幅度信号的典型配置。当模拟前端采用5 V模拟单电源，具有四个单极性单端输入通道或高达±10 V的真双极性输入范围。该器件可接收±16.5 V的模拟输入过电压而不会降低相邻通道的性能，并且可以发送过范围和欠范围电压信号。

图10：使用AD7734实现高电压信号采集

基准电压源
在一些PLC应用中，稳定、精密、低噪声独立的基准电压源非常重要。表VIII列出了多种可选的高性能基准电压源，包括从用于高端工业应用的高精度、低噪声IC到用于手持式电池供电应用的通用、低功耗器件。

放大器（仪表放大器和运算放大器）
仪表放大器（in-amp）测量两个输入电压的差值（同时抑制两个输入端的任何共模信号），施加固定或可设置增益，并且提供在参考端施加偏移电压的单端输出。由于不充分的共模抑制（CMR）会在输出端产生很难消除的很大的时变误差，因此当代的仪表放大器可提供80 dB～120 dB的直流（DC）和低频CMR。仪表放大器可提供从传感器以及数据采集、PLC和工业过程控制应用中提取微弱信号的重要功能。像所有的DC放大器一样，仪表放大器必须具有低DC失调电压和失调电压温度漂移。

AD8220⁸是一款通用性很强的典型仪表放大器，它可用于多种应用，例如传感器之间的信号调理——例如应变计——以及医学应用、可编程逻辑控制器、数据采集卡和模拟I/O卡中的ADC。它可提供1～1000的电阻可设置增益、具有80 dB CMR、1 mV失调电压以及10 µV/°C温度偏移。

结束语
PLC工业系统设计工程师不断要求在减小PCB面积，降低成本的同时提高性能并且增加功能。为了提供能够满足这些严格要求的集成电路并且与信号链路中所有重要模块相媲美，ADI公司研发出了新的取得重大突破的制造工艺。iCMOS工艺技术将高电压硅工艺与亚微米CMOS工艺和补偿的双极性工艺结合在一起以生产出采用超小封装，降低成本，提高性能并且能在30 V电压下工作（许多工业应用都需要的）的模拟IC。iCoupler隔离技术基于芯片级变压器——而不是LED和光电二极管——可以使用CMOS半导体功能集成以适合低成本隔离。iPolar沟道隔离工艺允许高达±18 V的电源电压并且其性能比传统双极性放大器显著地改进，同时将功耗降低一半——封装尺寸为传统放大器的75%。这些工艺能够满足现有的需求——并且具有非常好的发展前景。

表I. 适合每通道DAC配置应用的16 bit多通道DAC

表II. 单通道16 bit DAC

表III. iCMOS开关和多路复用器

表IV. 数字隔离器

表VI. 可设置输入范围的16 bit或18 bit PulSAR 系列ADC

表VII. AD779x Σ-Δ ADC系列提供的功能

表VIII. 基准电压源

表IX. PLC和模拟信号调理应用中常用的单通道放大器

表X. PLC和模拟信号调理应用中常用的多通道高电源电压放大器

参考网站——在2006年8月有效
1. ADI 网站: http://www.analog.com/static/imported-files/tech_docs/isoPower.pdf
2. ADI 网站:
     http://www.analog.com/zh/analog-to-digital-converters/ad-converters/products/overview/CU_over_Breakthrough_iCMOS/resources/fca.html
3. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/digital-to-analog-converters/da-converters/ad5664r/products/product.html
4. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/digital-to-analog-converters/da-converters/ad5662/products/product.html
5. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/references/voltage-references/adr02/products/product.html
6. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/interface/digital-isolators/adum2400/products/product.html
7. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/interface/digital-isolators/adum5242/products/product.html
8. ADI 网站: http://www.analog.com/zh/amplifiers-and-comparators/instrumentation-amplifiers/ad8220/products/product.html

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