如何最大程度提高模拟输入模块的性能

可编程逻辑控制器 (PLC) 是自动化领域(尤其是工厂自动化)的重要组成部分。PLC 分为电压和电流输入，并将实际信号转换为数字信号。在这里，具有多个通道数的模拟输入模块可以处理各种测量，具体取决于需求和测量类型。

根据设计，模拟前端和数字化的组件选择可能会有很大差异，并且取决于模拟前端的输入阻抗、通道数以及单端或差分配置等参数。

主要的设计考虑因素可能包括：

· 系统精度以及可重复性是选择过程中的关键部分，依赖于模数转换器 (ADC) 以及模拟前端的精度。

· 使用低失调漂移放大器和仪表放大器有助于维持足够的误差预算，而低噪声运算放大器有助于实现更高的有效位数或无噪声分辨率。

· 考虑功耗以及系统获取和处理数据的速度。

· 工艺技术，在选择可接受的速度功率比时，这一点很重要。

· 转换器采用逐次逼近寄存器 (SAR) 拓扑，而双极技术可提供更高的效率且不影响性能。

在多路复用系统中使用运算放大器

一些模拟输入模块使用多路复用器来实现一次一个测量。例如，您可以测量压力，然后使用电阻温度检测器监测温度。在这种情况下，从负电压切换到正电压的多路复用器会在运算放大器的输入端产生较大的差分电压，并使输入保护二极管正向偏置。

一旦二极管正向偏置，从二极管发出的漏电流就会影响放大器输出的稳定时间，进而影响数字化。多路复用器友好型运算放大器使用不同的保护方案来绕过传统的内部二极管，并有助于大幅改善整体稳定时间。

与阻抗大于 1 MΩ 的现场变送器接口的模拟输入模块通常需要选择 MOSFET 输入运算放大器。结型场效应晶体管 (JFET) 输入放大器也具有非常高的输入阻抗，但共模输入电压范围要窄得多。如果您需要高效率而不影响噪声性能，双极运算放大器具有最佳的速度功率比。传统双极设计的代价是输入偏置电流大得多或输入阻抗低得多。

为了解决双极设计的缺点，您可以选择实施超级 beta 拓扑。直流精度和交流性能使此类精密运算放大器能够灵活适用于 PLC 内的各种模拟输入模块。

下图有助于解释系统中不同模拟组件的配置位置。图 1显示了馈送到高分辨率转换器的典型信号路径。图 2显示了用于保持转换器线性的精密模拟前端。图 3显示了图 2 中的放大器、电压基准和数据转换器的噪声贡献。最后，图 4突出显示了运算放大器的稳定时间远低于最低有效位 (LSB) 的一半。

图 1具有电平转换功能的多路复用系统驱动高分辨率 ADC 的方式。

图 2单通道模块前端配有高分辨率差分输入 SAR ADC。

图 3显示了图 2 所示设置下信号链和 ADC 的模拟噪声。

图 4稳定时间的仿真结果显示误差远低于一半 LSB。

建立时间计算表示为 LSB = (4.096 ´ 2)/2 18，得出 31.25 mV。使用 31.25 mV 并将其乘以 0.5 可得出 15.625 mV 的值，这代表 LSB 的一半。

根据您是否想要优化模拟输入模块设计的稳定时间或噪声，组件的选择最终决定了直流和交流参数之间的权衡。集成过压保护的双极运算放大器可大幅提高效率，而不会牺牲稳定时间。然而，在多路复用系统中，请考虑使用多路复用器友好的运算放大器。