基于模拟输出模块和信号处理的PLC工业系统的设计

PLC 系统包含输入模块、输出模块和输入 / 输出模块。因为许多输入和输出都涉及现实世界中的模拟变量——而控制器是数字式的—PLC 系统硬件设计任务将主要围绕如下方面展开：数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、输入和输出信号调理、输入 / 输出模块的电气连线与控制器之间以及模块相互之间的隔离问题。

图 1 PLC 系统架构，示出了各种不同的 I/O 模块功能

I/O 模块的分辨率范围从 12 位到 16 位，在整个工业级温度范围的精度为 0.1%。模拟输出电压范围通常为±5V、±10V 或者 0V“5V、0V”10V，电流范围为 4“20mA 或 0”20mA。对 DAC 的稳定时间要求，从 10ms 一直到 100ms，具体则取决于应用的实际要求。模拟输入范围广泛，由电桥传感器输出的±10mV 微弱电压信号;也有电机控制器±10V 的电压信号，或者工业过程控制系统的 4“20mA 电流。转换时间则取决于所要求的精度和所选用的 ADC 架构，从 10SPS 到几百 KSPS。
 
数字隔离器、光耦隔离器或者电磁隔离器用来将系统现场的 ADC、DAC 和信号调理电路与数字端的控制器隔离开来。如果模拟端的系统也必须实现充分隔离的话，在输入或者输出的每个通道必须采用转换器以便最大限度提高通道间的隔离度—电源的隔离也是必需的。
 
iCMOS 工艺

iCMOS 技术是一种新型的高性能制造工艺，它将高压的集成电路与亚微米级 CMOS 和互补双极型工艺融为一体，在 PLC 设计的输入、输出部分所使用。
 
iCMOS 技术使得单芯片的设计能够融合 5V CMOS 并实现其与电压更高的（16、24 或者 30V）CMOS 电路的匹配——于是同一块芯片将拥有多路不同电压的电源。由于能够如此灵活地将各种元件和工作电压集成到一起，亚微米的 iCMOS 器件具有更高的性能，其集成的功能更多，而功耗更低——而且所需要的电路板面积大大小于前几代高压产品。其中的双极型工艺为 ADC、DAC 和低失调放大器提供了精确的基准源，出色的匹配特性和高度的稳定性。
 
薄膜电阻具有高达 12 位的初始匹配特性，经过修调后可以实现 16 位的匹配，温度和电压系数与传统的多晶硅的电阻相比，改善了 20 倍，是高准确度、高精度的数模转换器的理想选择。片上的薄膜熔断器使得高精度转换器的积分非线性、偏置和增益等性能可以用数字化的技术来校准。
 
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器、阀和电机——使用了标准的模拟输出范围，如±5、±10V、0V～5V、0V～10V、4～20mA 或者 0～20mA。模拟输出的信号链常常包括了数字隔离——将控制器的数字输出与 DAC 和模拟信号调理部分隔离开来。在数字化隔离的系统中所使用的转换器主要使用 3 线或者 4 线串行接口来最大限度减小所要求的数字隔离器或者光耦隔离器的数量。
 
PLC 系统的模拟输出模块通常采用两种架构：每个通道一个 DAC 的架构和每个通道一个采样保持器的架构。第一种架构中，每个通道使用一个专用的 DAC 来产生模拟控制电压或者电流。现在有许多多通道 DAC 可供选择，在空间占用上更少，通道单位成本更低，但那些需要通道相互隔离的往往采用了单通道 DAC 架构。图 2 是每通道使用一个 DAC 的典型配置。这种最简单 DAC 是低压单电源型的，采用 2.5V”5.5V 电源供电，输出范围是 0“VREF，输出信号经过调理后可以产生所需的任意电压或者电流范围。双极性输出转换器采用双电源供电，可以用于必须输出双极性电压范围的输出模块。

图 2 每通道一个 DAC 的架构

四路 D/A 转换器是非隔离型的多通道输出设计的理想选择，通过外接信号调理电路的方法可以实现多达 4 路的不同的输出配置。例如，图 3 示出了 16bit 4 路电压输出型 DACAD5664R 是如何提供 0～5V 的输出范围的——它也可以通过不同的连接方式提供各种标准所需的输出电压范围，或者通过外接的四运放构成灌电流输出。在配制成双极性输出时，其内部基准源的对外输出可以提供必要的跟踪偏置电压。

图 3 利用多通道 D/A 变换器实现±5V、±10V、0V”10V、0V“5V 等电压和电流沉输出

图 4 示出了隔离 4”20mA 电流环控制电路中所使用的一个单通道转换器。AD5662 采用 SOT-23 封装，适用于那些需要在模拟输出之间充分隔离的应用。

图 4 一个 4～20mA 电流控制电路

图 4 中，AD5662 最大的输出电压摆幅为 5V，该电压由 ADR02 电压基准来提供，它可以从变化的回路电压中稳压出一路精密的电源。5V 的 DAC 输出则通过一个运算放大器和晶体管构成的混合电路转换成 4～20mA 的电流输出。因为运算放大器的同向端输入处于虚地电位，运放就可以调节电流 Is，以维持在 RS 和 R3 上的电压相等的关系，于是有
RSIS=R3I3
 
N2 端的电流的总和构成了环路电流：
电流在 N1 点相加，于是有：
环路电流中的 4mA 的偏移分量是由基准电压所提供：
环路电流中可编程 0“16mA 电流则是由 DAC 提供：
每通道配置采样 - 保持电路
 
另一种可选的架构是利用开关电容和缓冲器来构成采样 - 保持放大器（HA），以储存高性能单 DAC 的输出信号，如图 5 所示。这些采样值通过模拟多路复用器在不同的电容器之间切换。因为系统的保持精度由电容的下降速率所决定，所以需要对这些通道进行频繁的刷新以维持所需要的精度。根据输出的要求，可采用低压单电源 DAC，也可以使用双极性输出 DAC。缓冲器可以提供信号调理，对电容而言呈现一个很高的输入阻抗，并能提供很低的输出阻抗，以驱动负载。

图 5 单 DAC 架构

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，各种传感器产生的数字信号都传送到一个中央控制器，进行处理和分析。为了保证用户接口端电压的安全性，也为了防止瞬态尖峰的传输，需要实现电流隔离。最常用的隔离器件是光耦器、基于变压器的隔离器和电容耦合式隔离器。
 
通用的光耦器利用发光二极管（LED）来将电气信号转换成对应的光强度，并用光电探测器将光信号转换成电信号。一般说来，它们的 LED 普遍存在转换效率低的问题，而且光电探测器的响应速度较慢;光耦隔离器的寿命有限，随着温度、工作速度和功耗的变化而会出现过大的性能波动。它们一般局限于 1 或 2 通道结构，需要外接元件才能实现完整的功能。
 
ADI 目前开发出一种新的隔离方法，它将芯片级的变压器技术与集成化的 CMOS 输入与输出电路结合起来。这些 iCoupler 器件在尺寸、成本和功耗方面都低于光耦隔离器，同时，有多种多样的通道配置和性能水平，并带有标准的 CMOS 接口，且无需外接元件——且能在全温度、电源范围和寿命期中保持其高性能和稳定性。iCoupler 的数据率和定时精度比常见的高速光耦合器高 2～4 倍，而它们用的功耗仅为光耦合器的 1/50，发热更小，而可靠性得以提高，成本则更低。
 
PLC 输入模块

PLC 系统的架构和输入模块的选择取决于所需要监测的输入信号电平的高低。各种类型的传感器和待监测的过程控制变量所产生的信号，其范围从±10mV 一直到±10V。
 
许多种结构的 ADC 都可以应用于工业和 PLC 应用，包括逐次逼近型（SAR）、Flash/Parallel、积分（包括 S-D），以及斜坡 / 计数型。针对特定应用选择 ADC 时，首要考虑的因素是输入信号范围，同时还应该考虑所要求的精度、信号频率分量、最大的信号电平以及动态范围。使用最广泛的是逐次逼近型 ADC 和 S-D ADC。
 
逐次逼近型 ADC 可以提供 12bit 到 18bit 的分辨率，而且具有高吞吐率;它们是多通道复用应用的理想选择，而这些应用需要以较高的采样速率对大量的输入通道进行监测。
 
S-D 架构的 ADC 所能提供的分辨率为 16bit”24bit。它们具有很高的过采样速率和数字滤波能力，以实现很高的分辨率和精度，但相对于 SAR 型 ADC，采样速率较低。S-D 架构一般在前端处集成了可编程增益放大器（PGA）;在每通道配备转换器的应用中，这可以实现传感器与 ADC 之间的直接接口，而无需外部信号调理。
 
对热电偶、应变计和电桥型压力传感器输出的低电平信号进行测量时，一个关键的要求是能够执行差分式测量，以抑制共模干扰，并在出现噪声的情况下提供更稳定的读数。例如，在工业应用常常采用差分输入，以抑制电机、AC 电源线或者其他影响 ADC 输入的共模噪声。
 
单端输入的成本更低，在引脚数量相同的情况下，所能提供的通道可以增加一倍，这是因为它们每个通道只需要一路模拟的输入，而且这些输入都以同一个接地点为基准。它们主要用于具有高信号电平、低噪声和稳定的公共地电位的应用中。
 
图 6 所示的是在分立隔离型 PLC 输入模块中使用的各个单元，包括激励、输入信号调理、接收多路输入信号的故障保护多路复用器、一个可编程增益放大器和一个 A/D 变换器。在传统方案中，这些大多数是通过分立的 IC 和无源器件来实现的，如今则集成在 ADC 和模拟前端中。

图 6 典型的分立 PLC 输入模块所能实现的功能

这些 ADC 可以直接与多种应用中的传感器接口直接连接，包括 PLC、温度测量、称重、压力和流量测量以及通用测量设备。它们的刷新速率可以在 4Hz～500Hz 的范围内编程设定，可以以所选择的刷新速率同时对 50Hz 和 60Hz 信号进行同时的抑制。
 
结语

PLC 的工业系统设计者继续致力于在预算和电路板面积不断缩小的情况下，推动产品性能和功能度的不断提高。为了提供能满足这些严格要求的集成电路，并努力争取信号链上的每个重要位置，Analog Devices 已经开发了重要的新制造工艺流程。这一被称为 iCMOS 的工艺技术将高压硅集成电路技术与亚微米的 CMOS 和互补双极型技术结合起来，从而实现能提供 30V 工作的模拟 IC（许多工业应用均有需求），而所需的平面尺寸更小、性能更高且成本更低。基于芯片级变压器（而非 LED 和光电二极管）的 iCoupler 隔离技术可以与 CMOS 半导体功能结合，提供低成本的隔离功能。iPolar 沟槽隔离工艺则使得电压可以高达±18 V 的电源电压下工作，其性能远远优于传统的双极型放大器，而功耗则减半，封装尺寸也减小了 75%。这些技术能很好地满足当前的需求，并能笑迎辉煌的未来。