完整的传感器到位解决方案简化了工业数据采集系统设计

作为许多工业自动化和过程控制系统的核心，可编程逻辑控制器（PLC）监测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，测量和控制模拟过程变量，如压力、温度和流量。PLC 可用于各种应用，例如工厂、炼油厂、医疗设备和航空航天系统，这些应用需要高精度和稳健的长期运行。此外，竞争激烈的市场要求更低的成本和更短的设计时间。因此，工业设备和关键基础设施的设计人员在满足客户严格的精度、噪声、漂移、速度和安全要求方面面临重大挑战。本文以PLC为例，展示了多功能、低成本、高度集成的ADAS3022如何降低复杂性，通过取代模拟前端（AFE）级来解决多通道数据采集系统设计中遇到的许多挑战。这款高性能器件非常适合具有多个输入范围的精密工业、仪器仪表、电力线和医疗数据采集卡，可降低成本并缩短上市时间，同时提供易于使用的小尺寸和真正的 16 位精度（1 MSPS）。

可编程控制器应用示例

图1显示了用于工业自动化和过程控制系统的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，模拟输入模块从位于极端温度和湿度、振动和爆炸性化学品的恶劣环境中的远程传感器采集和监控信号。典型信号包括5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的单端或差分电压，或0 mA至20 mA、4 mA至20 mA和±20 mA范围的电流环路。当遇到具有大量电磁干扰（EMI）的长电缆时，由于其固有的高抗噪性，通常使用电流环路。

模拟输出模块通常控制执行器，如继电器、电磁阀和阀门，以完成自动化控制系统。它们通常提供5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围以及4 mA至20 mA电流环路输出的输出电压。

典型的模拟量 I/O 模块包括 2、4、8 或 16 个通道。为了满足严格的行业标准，这些模块需要防止过压、过流和EMI浪涌。大多数PLC在ADC和CPU之间以及CPU和DAC之间包括数字隔离。高端PLC还可以采用国际电工委员会（IEC）标准规定的通道间隔离。许多I/O模块包括每通道软件可编程单端或差分输入范围、带宽和吞吐速率。

在现代PLC中，CPU以自动化方式执行许多控制任务，利用实时信息访问来做出智能决策。CPU可以体现先进的软件和算法，以及用于诊断错误检查和故障检测的网络连接。常用的通信接口包括 RS-232、RS-485、工业以太网、SPI 和 UART。

图1.典型的 PLC 信号链。

数据采集系统的离散实现

工业设计人员可以使用分立的高性能组件为PLC或类似的数据采集系统构建模拟模块，如图2所示。关键设计考虑因素包括输入信号配置以及整体系统速度、精度和精密度。此处介绍的信号链采用低漏电流多路复用器ADG1208/ADG1209、快速建立可编程增益仪表放大器AD8251、高速漏斗放大器AD8475、差分输入18位PulSAR ADC和超低噪声基准电压源 ADR4550。该解决方案提供四种不同的增益范围，但由于最大输入信号为±10 V，设计人员将不得不担心多路复用器的开关和建立时间以及其他模拟信号调理挑战。此外，即使在使用这些高性能组件时，在1 MSPS下实现真正的16位性能也可能是一项重大挑战。®

AD7982规定满量程阶跃的瞬态响应为290 ns。因此，为了保证在1 MSPS下转换时的指定性能，PGIA和漏斗放大器的建立时间必须小于710 ns。但是，AD8251规定10 V阶跃的建立时间为785 ns至16位（0.001%），因此该信号链可保证的最大吞吐量将小于1 MSPS。

图2.使用分立元件的模拟输入信号链。

集成解决方案简化数据采集系统设计

16位、1 MSPS ADAS3022数据采集

IC采用专有

的高压工业过程技术i CMOS制造，集成了8通道、低漏电多路复用器;具有高共模抑制的高阻抗PGIA;精密、低漂移 4.096V 基准和缓冲器;以及一个16位逐次逼近型ADC，如图3所示。®

图3.ADAS3022的功能框图。

这种完整的传感器到位解决方案仅利用分立式方案三分之一的电路板空间，帮助工程师简化设计，同时减小先进工业数据采集系统的尺寸、上市时间和成本。它消除了缓冲、电平转换、放大、衰减或以其他方式调理输入信号的必要性，也无需担心共模抑制、噪声和建立时间，从而减轻了与设计精密16位、1 MSPS数据采集系统相关的许多挑战。如图4所示，它在1 MSPS（典型SNR）下提供同类最佳的16位精度（±典型INL为0.6 LSB）、低失调电压、低漂移过热和优化的噪声性能（典型SNR为91 dB）。该器件的额定工作温度范围为 –40°C 至 +85°C 工业温度范围。

图4.ADAS3022的INL和FFT性能。

PGIA 具有较大的共模输入范围、真正的高阻抗输入 （>500 MΩ） 和宽动态范围，使其能够适应 4mA 至 20mA 电流环路，精确测量小传感器信号，并抑制来自交流电源线、电动机和其他来源的干扰（最小 CMR 为 90dB）。

辅助差分输入通道可容纳±4.096 V输入信号。它绕过多路复用器和PGIA级，允许直接连接到16位SAR ADC。片上温度传感器可以监控当地温度。

这种高集成度可节省电路板空间并降低器件总成本，使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、患者监控以及其他以±10 V工业信号电平运行的工业和仪器仪表系统。

图5.完整的 5V、单电源、8 通道数据采集解决方案，集成 PGA。

图5所示为完整的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1.8 V至5 V逻辑I/O电源供电。ADP1613 高效、低纹波 DC-DC 升压转换器允许 DAS 采用 5V 单电源供电。采用ADIsimPower配置为单端初级电感Ćuk （SEPIC）拓扑™设计工具ADP1613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比较了ADAS3022和分立信号链的噪声性能，表1使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）噪声来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

 

	ADG1209	AD8251	AD8475	AD7982		总噪声		ADAS3022	输入信号
噪声	RTI	RTI	RTI	RTI	信 噪 比	RTI总	信 噪 比	信 噪 比
	（微V 有效值）	（微V 有效值）	（微V 有效值）	（微V 有效值）	（分贝）	（微V 有效值）	（分贝）	（分贝）	（V rms）
增益 = 1 （±10 V）	6.56	124	77.5	148	95.5	208	90.6	91.5	7.07
增益 = 2 （±5 V）	6.56	83.7	38.8	74.2	95.5	119	89.5	91.0	3.54
增益 = 4 （±2.5 V）	6.56	68.2	19.4	37.1	95.5	80.3	86.8	89.7	1.77
增益 = 8 （±1.25 V）	6.56	55.8	9.69	18.5	95.5	60.0	83.4	86.8	0.88

 

AD8475和AD7982之间的单极点低通滤波器（LPF）（图2）可衰减来自AD7982开关电容输入端的冲击，并限制高频噪声量。–3dB 带宽 （f–3分贝） 的 LPF 为 6.1 MHz （R = 20 Ω， C = 1.3 nF），允许在以 1 MSPS 进行转换时快速建立输入信号。LPF的ENBW可以计算为：

ENBW = π/2 × f–3分贝= 9.6 兆赫。

请注意，此计算忽略了来自基准电压源和LPF的噪声，因为它不会显著影响总噪声，而总噪声由PGIA主导。

考虑一个使用 ±5V 输入范围的示例。在这种情况下，AD8251的增益设置为2。漏斗放大器在所有四个输入范围内均设置为0.4的固定增益，因此AD7982将施加0.5 V至4.5 V差分信号（4 V p-p）。ADG1208的RTI噪声源自约翰逊/奈奎斯特噪声方程2= 4KBTR上,

其中 KB = 1.38 × 1023J/K、T = 300K 和 RON = 270 Ω。

AD8251的RTI噪声来自数据手册中规定的27 nV/√Hz噪声密度，增益为2。同样，AD8475的RTI噪声来自其10 nV/√Hz噪声密度，增益为0.8 （2 × 0.4）。在每次计算中，ENBW = 9.6 MHz。AD7982的RTI噪声是根据数据手册中规定的95.5 dB SNR计算得出的，增益为0.8。整个信号链的总RTI噪声是根据分立元件RTI噪声的和方根（rss）计算得出的。89.5 dB 的总信噪比可通过公式 SNR = 20 log（V ） 计算得出在有效值/RTI总).

虽然理论噪声估计（SNR）和分立信号链的整体性能与ADAS3022相当，特别是在较低增益（G = 1和G = 2）和较低吞吐速率（远小于1 MSPS）的情况下，它并不是理想的解决方案。与分立式解决方案相比，ADAS3022可将成本降低约50%，电路板空间降低约67%，并且还可以接受分立式解决方案无法提供的三个额外输入范围（±0.64 V、±20.48 V和±24.576 V）。

结论

下一代工业PLC模块将需要高精度、可靠的操作和功能灵活性，所有这些都在小型、低成本的外形中实现。ADAS3022具有业界领先的集成度和性能，支持各种电压和电流输入，可处理工业自动化和过程控制中的各种传感器。ADAS3022非常适合PLC模拟输入模块和其他数据采集卡，将使工业制造商能够在满足严格的用户要求的同时实现系统差异化。

审核编辑：郭婷