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可編程邏輯控制器（PLC）是一種基于計算機的緊湊電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用數(shù)字或模擬輸入和輸出模塊控制機械、處理器和其它的控制模塊。PLC能夠接收（輸入）和發(fā)送（輸出）各種類型的電氣和電子信號，并且使用它們實際控制和監(jiān)視任何類型的機械和（或）電氣系統(tǒng)。PLC可按照提供的I/O功能的數(shù)目分類。例如，nano PLC具有不足32個I/O，micro PLC具有32～128個I/O，small PLC具有128～256個I/O等等。典型的PLC系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1：PLC系統(tǒng)說明各種I/O模塊功能的體系結(jié)構(gòu)
PLC系統(tǒng)是由輸入模塊、輸出模塊以及輸入和輸出模塊組成。由于許多輸入和輸出包含現(xiàn)實世界的模擬變量——雖然控制器是數(shù)字的——因此PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計主要任務(wù)在于滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、輸入和輸出信號調(diào)理以及輸入輸出模塊的接線與控制器和其它部件之間的隔離的要求。
I/O模塊的分辨率通常在12 bit～16 bit范圍內(nèi)，并且在工業(yè)溫度范圍內(nèi)具有0.1%的精度。模擬輸出電壓范圍為±5 V，±10 V或0 V～5 V，0 V～10 V電源范圍，電流范圍為4 mA～20 mA或0 mA～20 mA。DAC的建立時間要求根據(jù)應(yīng)用一般在10 µs～100 ms之間變化。模擬輸入范圍對于電橋傳感器zui小為±10 mV，對于執(zhí)行機構(gòu)控制器zui大為±10 V，或者在工業(yè)控制系統(tǒng)中電流輸入范圍為4 mA～20 mA的。轉(zhuǎn)換速率根據(jù)選擇的ADC體系結(jié)構(gòu)和所要求的精度決定，從10次每秒采樣（SPS）到數(shù)百次每秒千次采樣（kSPS）之間變化。
數(shù)字隔離器——光耦合器或電磁隔離器——用于系統(tǒng)將現(xiàn)場端的ADC、DAC和信號調(diào)理電路與數(shù)字端的控制器隔離。如果在模擬端也必須對系統(tǒng)*隔離，那么在每一個輸入或輸出通道都需要有一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以達(dá)到zui大程度的通道隔離——并且需要通過變壓器或ADI公司的isoPower™1技術(shù)的隔離電源。
iCMOS™工藝
ADI公司采用PLC輸入和輸出部分的許多產(chǎn)品都受益于iCMOS工藝2，這是一種將亞微米CMOS工藝和互補雙極性工藝與高電壓硅硅工藝結(jié)合在一起的高性能制造工藝。
這種強大的組合允許單芯片設(shè)計成將5 V的CMOS電路和16 V、24 V或30 V高電壓CMOS電路混合和匹配——為同一芯片提供多個電壓源。鑒于這種器件組成和工作電壓的靈活性，亞微米iCMOS器件能夠提高性能、增加集成的功能并且降低功耗——因此需要比前幾代高電壓產(chǎn)品顯著減小封裝尺寸。雙極性工藝可為ADC、DAC和低失調(diào)電壓放大器提供精密的基準(zhǔn)電壓源、優(yōu)良的電阻匹配精度和高穩(wěn)定性。
具有12 bit初始匹配精度、16 bit微調(diào)匹配精度以及溫度和電壓系數(shù)比傳統(tǒng)多晶硅電阻器高20倍的薄膜電阻器適合于高精密、高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。內(nèi)置薄膜熔絲允許使用數(shù)字技術(shù)校準(zhǔn)高精密轉(zhuǎn)換器的積分線性誤差（INL）、失調(diào)電壓和增益。
PLC輸出模塊
PLC系統(tǒng)的模擬輸出——通常用于控制工業(yè)環(huán)境中的執(zhí)行機構(gòu)、閥門和電機——使用標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸出范圍，例如±5 V，±10 V，0 V～5 V，0 V～10 V，4 mA～20 mA或0 mA～20 mA。模擬輸出信號鏈路通常包括數(shù)字隔離——隔離來自DAC和模擬信號調(diào)理電路的控制器的數(shù)字輸出。數(shù)字隔離系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器主要使用3線或4線串行接口以zui大程度減少所需的數(shù)字隔離器或光耦合器數(shù)目。
在PLC系統(tǒng)模擬輸出模塊中通常使用兩種體系結(jié)構(gòu)：每通道DAC配置和每通道采樣保持配置。*種體系結(jié)構(gòu)在每一個通道使用DAC以產(chǎn)生其模擬控制電壓或電流。雖然可提供多種多通道DAC可以節(jié)省每通道的成本和外形尺寸，但是通道之間需要隔離，所以通常使用單通道DAC。圖2所示是典型的每通道DAC配置。zui簡單的DAC是低電壓單電源供電DAC，采用2.5 V～5.5 V電源電壓范圍， 提供0 V～VREF輸出范圍。可對它們的輸出信號進行調(diào)理以產(chǎn)生各種需要的電壓或電流范圍。需要雙電源供電的雙極性輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是為必須提供雙極性輸出電壓范圍的輸出模塊提供的。
圖2：每通道DAC配置體系結(jié)構(gòu)
表I示出選擇適合PLC輸出模塊應(yīng)用的16 bit多通道DAC。這些產(chǎn)品可提供雙極性或單極性輸出范圍，具有10 µs的建立時間。該系列的其它成員，可提供引腳與16 bit兼容的12 bit～14 bit分辨率版本——從而允許無需硬件改變直接從12 bit升級到16 bit鏈路，只需zui小軟件修改。這些DAC的大多數(shù)都集成了內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源，從而可提供全集成的輸出解決方案。
四DAC非常適合于非隔離的多通道輸出設(shè)計，該設(shè)計通過使用外部信號調(diào)理電路能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)四個不同的輸出配置。例如，圖3示出AD5664R3 16 bit電壓輸出四DAC如何提供規(guī)定的0 V～5 V輸出范圍——或者連接到用于多種標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓范圍或使用外部四運算放大器的灌電流輸出。在雙極性輸出配置中，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的外部輸出可提供必需的跟蹤失調(diào)電壓。AD5664R采用5 V單電源供電，包含一個內(nèi)部2.5 V、5 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源，并且采用3 mm×3 mm LFCSP超小封裝。
圖3：使用多通道DAC提供±5 V，±10 V ，0 V～10 V，0 V～5 V和灌電流輸出
圖4示出在隔離的4 mA～20 mA電流環(huán)控制電路中采用的單通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器。AD56624采用SOT-23封裝，非常適合需要模擬輸出之間*隔離的應(yīng)用。
圖4：4 mA～20 mA的電流控制電路
AD5662的zui大輸出電壓范圍是5 V，AD5662由ADR025提供基準(zhǔn)電壓，ADR02由可變環(huán)路電壓提供穩(wěn)壓電源。使用一只運算放大器和晶體管電路可將該DAC的5 V輸出范圍轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA電流輸出。由于運算放大器的同相輸入（N1）是虛地的，因此運算放大器可調(diào)節(jié)電流IS以保持通過RS和R3兩端的電壓降相等，從而
N2端的總電流提供環(huán)路電流，
N1端的電流相加得：
環(huán)路電流的4 mA失調(diào)分量由基準(zhǔn)電壓源提供：
環(huán)路電流的可設(shè)置0 mA～16 mA分量由DAC提供：
每通道的采樣保持配置
另一種體系結(jié)構(gòu)使用開關(guān)電容器和緩存器作為采樣保持放大器（SHA）以存儲從一個高性能DAC獲得的輸出采樣，如圖5所示。其使用一個模擬復(fù)用器對不同電容器的模擬信號進行切換采樣。由于系統(tǒng)的保持精度由電容器的下降速率決定，因此需要經(jīng)常刷新通道以保持要求的精度。根據(jù)輸出要求，DAC可以是低電壓單電源DAC或者雙極性輸出DAC。提供信號調(diào)理的緩沖器對電容器呈現(xiàn)高輸入阻抗并且對驅(qū)動輸出負(fù)載呈現(xiàn)低輸出阻抗。
圖5：單DAC體系結(jié)構(gòu)
表II示出選擇具有4 µs～10 µs滿度建立時間的單通道16 bit DAC。它們采用超小表面貼封裝形式供貨，非常適合于采樣保持輸出體系結(jié)構(gòu)。
開關(guān)和多路復(fù)用器
對于要求具有低尖峰毛刺和低注入電荷（QINJ）的低電容開關(guān)的采樣保持和其它數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，采用iCMOS工藝的ADG12xx和ADG13xx 系列±15 V開關(guān)和多路復(fù)用器系列非常有用。
對于要求具有極低導(dǎo)通電阻（RON）的其它應(yīng)用，ADG1408和ADG1409 ±15 V多路復(fù)用器可在全部信號范圍內(nèi)提供9 Ωzui大值的RON。除了具有低RON外，它們優(yōu)良的電阻均勻性（和電壓均勻性）使它們成為要求低失真以達(dá)到可靠、可預(yù)測電路性能應(yīng)用的理想解決方案。
表III列出了選擇iCMOS開關(guān)和多路復(fù)用器所需的電容、QINJ和RON，并且將它們與流行的早期產(chǎn)品ADG508和ADG509進行了比較。
用于電源和數(shù)字信號的電流隔離
在PLC、過程控制、數(shù)據(jù)采集以及控制系統(tǒng)中，從各種傳感器將數(shù)字信號發(fā)送到中央控制器以便處理和分析。為了在用戶接口處保持安全電壓并且防止瞬態(tài)電流損害從信號源發(fā)送的信號，我們需要進行電隔離。zui常用的隔離器件是光耦合器、基于變壓器的隔離器和電容耦合隔離器。
常用的光耦合器包括發(fā)光二極管（LED）——將電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光強度，以及光電二極管——將光信號轉(zhuǎn)換回到電信號。通常，它們的LED轉(zhuǎn)換效率很低，并且光電二極管的響應(yīng)速度很慢；總之，光耦合器趨向于壽命有限并且其性能隨溫度、速度和功耗變化過大。它們通常限于一個或兩個通道配置并且需要外部元件構(gòu)成完整的功能。
ADI公司已經(jīng)開發(fā)出了新的隔離新方案，將芯片級變壓器技術(shù)與集成的CMOS輸入和輸出電路集成在一起。這種iCoupler®系列隔離器件易于使用——比光耦合器減小了封裝尺寸、降低了成本并且降低了功耗。iCoupler器件可提供多種通道配置和性能級別以及標(biāo)準(zhǔn)的CMOS接口，從而無需外部元件——提供隨溫度和電源電壓變化性能穩(wěn)定、長壽命、高性能性隔離器。ADuM24006四隔離器是典型iCoupler隔離IC，它帶接口和耦合變壓器，如圖6所示。
圖6：ADuM2400四隔離器框圖
iCoupler器件的數(shù)據(jù)速率和時序指標(biāo)比常用的高速光耦合器快兩到四倍——它們的工作功耗僅為光耦合器的1/50，同時相應(yīng)地降低熱功耗、提高可靠性并且降低成本。表IV示出可提供的通道配置選擇。
在*隔離系統(tǒng)中提供從系統(tǒng)端到場端的隔離電源是新興解決方案要解決的另一個難題。通過隔離阻障傳遞電源所使用的傳統(tǒng)技術(shù)包括分立的、體積相當(dāng)大的、昂貴的DC/DC變換器或者難于設(shè)計和連接的分立封裝。當(dāng)前提供的一種高達(dá)50 mW、的方法是采用一種完整的集成隔離解決方案，包括使用微變壓器通過隔離阻障傳遞信號和電源。ADuM524x isoPower系列產(chǎn)品可在單芯片內(nèi)提供耐壓高達(dá)5 kV的信號隔離和電源隔離——從而無需獨立、隔離的供電電源，所以顯著節(jié)省了總隔離系統(tǒng)成本、PCB面積要求和設(shè)計時間。典型的器件如圖7所示。全部產(chǎn)品都經(jīng)過UL，CSA和VDE安全認(rèn)證。
圖7：集成了DC/DC變換器的ADuM52427雙通道隔離器框圖（0/2通道方向性）
PLC輸入模塊
為PLC系統(tǒng)體系選擇體系結(jié)構(gòu)和輸入模塊產(chǎn)品取決于需要監(jiān)視的輸入信號的幅度。來自各種類型傳感器和需要監(jiān)視的過程控制變量信號應(yīng)在±10 mV～±10 V輸入信號范圍內(nèi)。表V示出了一些對信號源及其典型輸入范圍的要求。
表V：模擬輸入模塊的低幅度信號范圍
| 輸入 | ±10 mV | ±25 mV | ±50 mV | ±80 mV | ±0.25 V | ±0.5 V | ±1 V | ±1.25 V | ±5 V | ±10 V | |
| 應(yīng)變計 |  | | | | | | | | | | |
| 熱電偶 | | | | | | | | | | | |
| T | | | | | | | | | | | |
| J | | | | | | | | | | | |
| N | | | | | | | | | | | |
| E | | | | | | | | | | | |
| R | | | | | | | | | | | |
| S | | | | | | | | | | | |
| B | | | | | | | | | | | |
| U | | | | | | | | | | | |
| L | | | | | | | | | | | |
| 電阻器 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 |
| 空調(diào) | | | | | Pt100 | Pt200 | | Pt500 | Pt1000 | | |
工業(yè)和PLC應(yīng)用可采用多種ADC——包括逐次逼近（SAR）式ADC、閃存或全并行ADC、積分式ADC（包括Σ-Δ ADC）以及斜坡或計數(shù)式ADC。選擇適合某種應(yīng)用的ADC主要由輸入傳感器所需要的輸入信號范圍——以及所要求的精度、信號頻率、zui大信號幅度和動態(tài)范圍決定。zui廣泛使用的體系結(jié)構(gòu)是SAR和Σ-Δ ADC。
SAR型ADC以高吞吐率提供12 bit～18 bit的分辨率；它們非常適合多通道多路復(fù)用應(yīng)用，即需要以相當(dāng)高的采樣速率監(jiān)測多個輸入通道的應(yīng)用場合。
Σ-Δ 體系結(jié)構(gòu)可提供16 bit～24 bit分辨率。它們采用過采樣和數(shù)字濾波技術(shù)達(dá)到高分辨率和高精度——但其吞吐率比SAR型ADC低。Σ-Δ體系結(jié)構(gòu)通常包含模擬前端前端可編程增益放大器（PGA）；在每通道ADC應(yīng)用中，這允許在傳感器和ADC之間直接連接——無需信號調(diào)理。
當(dāng)測量來自熱電偶、應(yīng)變計和橋式壓力傳感器的小幅度信號時，主要要求是完成差分測量以抑制共模干擾的能力并且在有噪聲環(huán)境下提供比較穩(wěn)定的讀數(shù)信號的能力。例如在工業(yè)應(yīng)用中，差分輸入用于消除來自電機、交流（AC）電源線或（將噪聲引入ADC的模擬輸入端的）噪聲源的共模噪聲或干擾。
單端輸入是一種降低成本的方法。對于相同數(shù)量的輸入引腳，它可提供兩倍的輸入通道數(shù)，因為每個通道僅需要一個模擬輸入端并且都以相同的接地端做參考端。它們主要用于大信號幅度、低噪聲和穩(wěn)定共模地的應(yīng)用場合。
圖8示出隔離的PLC輸入模塊分立解決方案中所包括的許多功能電路——包括激勵和輸入信號調(diào)理電路、用于處理多路輸入信號帶故障保護的多路復(fù)用器、PGA和ADC。上述許多功能電路以前都采用單獨的IC和無源元件實現(xiàn)，現(xiàn)在可提供全集成和全功能解決方案——帶ADC和模擬前端的IC。
圖8：典型分立的PLC輸入模塊包含的功能
例如，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源的AD761x（16 bit）和AD763x（18 bit）的iCMOS PulSAR® ADC系列可提供可設(shè)置輸入電壓范圍（0 V～5 V，0 V～10 V，±5 V和±10 V），從而允許設(shè)計工程師動態(tài)改變輸入范圍。對于這些器件，所有的切換通過內(nèi)部寄存器完成，從而避免了數(shù)據(jù)延遲并且改進了通道切換速度。表VI示出非常適合PLC應(yīng)用的16 bit或18 bit PulSAR 系列ADC選擇表。
另一個高度集成度ADC的實例為AD7792/AD7793/AD7794/AD7795/AD7798/AD7799 Σ-Δ ADC系列。該系列采用超小型TSSOP封裝，除了具有超低噪聲（40 nV）和低功耗（400 µA）外特性外，還可提供內(nèi)置PGA（1～128增益）、基準(zhǔn)電壓源、傳感器激勵電流源和時鐘。極低噪聲和低功耗的結(jié)合使其適合于要求高精度測量的應(yīng)用。
在許多應(yīng)用中，這些ADC可直接連接到傳感器接口，例如PLC、溫度測量、電子秤、壓力和流量測量以及通用測量設(shè)備。它們的更新速率可在4 Hz～500 Hz之間設(shè)置，并且對選擇的更新速率提供50 Hz和60 Hz信號的同步抑制。表VII示出AD779x系列ADC所提供的特性和功能。
圖9示出使用AD7794和AD7795測量來自橋接傳感器和基于電阻的溫度傳感器的輸入信號的典型配置。
圖9：AD7794和AD7795實現(xiàn)低電壓測量
當(dāng)在PLC和工業(yè)I/O應(yīng)用中需要對帶故障保護功能高達(dá)±10 V輸入電壓進行高精密模擬信號測量時并且為多通道提供高吞吐率是至關(guān)重要的應(yīng)用場合，AD7732（兩個全差分輸入通道），AD7743（四個單端輸入通道）和AD7738（四個全輸入或八個單端輸入通道）理想的選擇。
圖10示出使用AD7743測量PLC和過程控制應(yīng)用中常見的高幅度信號的典型配置。當(dāng)模擬前端采用5 V模擬單電源，具有四個單極性單端輸入通道或高達(dá)±10 V的真雙極性輸入范圍。該器件可接收±16.5 V的模擬輸入過電壓而不會降低相鄰?fù)ǖ赖男阅埽⑶铱梢园l(fā)送過范圍和欠范圍電壓信號。
圖10：使用AD7734實現(xiàn)高電壓信號采集
基準(zhǔn)電壓源
在一些PLC應(yīng)用中，穩(wěn)定、精密、低噪聲獨立的基準(zhǔn)電壓源非常重要。表VIII列出了多種可選的高性能基準(zhǔn)電壓源，包括從用于工業(yè)應(yīng)用的高精度、低噪聲IC到用于手持式電池供電應(yīng)用的通用、低功耗器件。
放大器（儀表放大器和運算放大器）
儀表放大器（in-amp）測量兩個輸入電壓的差值（同時抑制兩個輸入端的任何共模信號），施加固定或可設(shè)置增益，并且提供在參考端施加偏移電壓的單端輸出。由于不充分的共模抑制（CMR）會在輸出端產(chǎn)生很難消除的很大的時變誤差，因此當(dāng)代的儀表放大器可提供80 dB～120 dB的直流（DC）和低頻CMR。儀表放大器可提供從傳感器以及數(shù)據(jù)采集、PLC和工業(yè)過程控制應(yīng)用中提取微弱信號的重要功能。像所有的DC放大器一樣，儀表放大器必須具有低DC失調(diào)電壓和失調(diào)電壓溫度漂移。
AD82208是一款通用性很強的典型儀表放大器，它可用于多種應(yīng)用，例如傳感器之間的信號調(diào)理——例如應(yīng)變計——以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用、可編程邏輯控制器、數(shù)據(jù)采集卡和模擬I/O卡中的ADC。它可提供1～1000的電阻可設(shè)置增益、具有80 dB CMR、1 mV失調(diào)電壓以及10 µV/°C溫度偏移。
運算放大器是模擬電路的“核心” ，ADI公司是當(dāng)今運算放大器市場占據(jù)zui大*的穩(wěn)定供應(yīng)商之一。創(chuàng)新的電路設(shè)計兼?zhèn)涞腎C制造工藝開發(fā)，例如高電壓iCMOS工藝和高性能iPolar™工藝，使得推出適合工業(yè)市場具有顯著改進性能和增加功能的器件成為可能——僅需要老工藝幾何尺寸四分之一的印制電路板（PCB）面積。表IX和表X分別列出了PLC應(yīng)用中zui常用的單放大器和多通道放大器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品可輕松地為支持±10 V輸出范圍提供所需要的高電源電壓，并且它們具有低失調(diào)電壓和低電源電流——并且采用小封裝形式。
結(jié)束語
PLC工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師不斷要求在減小PCB面積，降低成本的同時提高性能并且增加功能。為了提供能夠滿足這些嚴(yán)格要求的集成電路并且與信號鏈路中所有重要模塊相媲美，ADI公司研發(fā)出了新的取得重大突破的制造工藝。iCMOS工藝技術(shù)將高電壓硅工藝與亞微米CMOS工藝和補償?shù)碾p極性工藝結(jié)合在一起以生產(chǎn)出采用超小封裝，降低成本，提高性能并且能在30 V電壓下工作（許多工業(yè)應(yīng)用都需要的）的模擬IC。iCoupler隔離技術(shù)基于芯片級變壓器——而不是LED和光電二極管——可以使用CMOS半導(dǎo)體功能集成以適合低成本隔離。iPolar溝道隔離工藝允許高達(dá)±18 V的電源電壓并且其性能比傳統(tǒng)雙極性放大器顯著地改進，同時將功耗降低一半——封裝尺寸為傳統(tǒng)放大器的75%。這些工藝能夠滿足現(xiàn)有的需求——并且具有非常好的發(fā)展前景。
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