如何优化工业DAQ系统设计？

可编程逻辑控制器(PLC)是很多工业自动化和过程控制系统的核心，可监控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，可测量和控制模拟过程变量，例如压力、温度和流量。 PLC广泛应用于众多不同应用，例如工厂、炼油厂、医疗设备和航空航天系统，它们需要很高的精度，还要保持稳定的长时间工作。 此外，激烈的市场竞争形势要求必须降低成本和缩短设计时间。 因此，工业设备和关键基础设施的设计人员在满足客户对精度、噪声、漂移、速度和安全的严格要求方面遇到了严峻的挑战。

本文说明如何利用ADAS3022来替换模拟前端(AFE)级，从而降低复杂性，解决多通道数据采集系统设计中遇到的诸多难题。 这种高性能器件具有多个输入范围，非常适合高精度工业、仪器、电力线和医疗数据采集卡应用，可以降低成本和加快产品面市，同时占用空间很小，易于使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

图1. 典型PLC信号链

PLC应用示例

图1显示在工业自动化和过程控制系统中使用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，模拟输入模块可获取和监控恶劣环境中的远程传感器信号，例如存在极端温度和湿度、振动、爆炸化学物品的环境。 典型信号包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的单端电压或差分电压，或者0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA范围的环路电流。 当遇到具有严重电磁干扰(EMI)的长电缆时，通常使用电流环路，因为它们本身具有良好的抗扰度。

模拟输出模块通常控制执行器，例如继电器、电磁阀和阀门等，以形成完整自动化控制系统。 它们通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的输出电压，以及4 mA至20 mA的环路电流输出。

典型模拟I/O模块包括2个、4个、8个或16个通道。 为满足严格行业标准，这些模块需要提供过压、过流和EMI浪涌保护。 大多数PLC包括ADC和CPU之间、CPU和DAC之间的数字隔离。 高端PLC可能还有国际电工委员会(IEC)标准规定的通道间隔离。 很多I/O模块包括每通道软件可编程单端或差分输入范围、带宽和吞吐率。

在现代PLC中，CPU自动执行多个控制任务，利用实时信息访问进行智能决策。 CPU可能包含高级软件和算法以及Web连接，用于差错校验诊断和故障检测。 常用通信接口包括RS-232、RS-485、工业以太网、SPI和UART。

图2所示电路是一款高度集成、16位、1 MSPS、多路复用、8通道、灵活的数字采集系统(DAS)，集成可编程增益仪表放大器(PGIA)，能够处理全范围工业级信号。 这种高集成度可以节省电路板空间，降低整体部件成本，使得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、病人监护以及其他工业和仪表系统，它们都采用±10 V的工业信号电平工作。

图2. 采用5 V单电源的16位、1MSPS、8通道数据采集解决方案简化原理图

ADAS3022可经配置用于测量最多八个单端输入或四个差分对。 七种双极性输入范围可处理各种工业信号电平(±640 mV至±24.576 V)，因此能够直接与大部分传感器接口相连。

+5 V单电源为电路供电，高效率、低纹波升压转换器产生±15 V电压，可处理最高±24.576 V的差分输入信号(±2 LSB INL最大值、±0.5 LSB DNL典型值)。 对于高精度应用，这款紧凑、经济型电路可以提供高精度和低噪声性能。 经低功耗运算放大器AD8031缓冲后的低噪声基准电压源ADR434提供基准电压。

这个完整传感器数据采集解决方案占用的电路板空间仅为分立方案的三分之一，并降低了一半的成本，有助于工程师简化设计，同时减小高级工业数据采集系统的尺寸，缩短产品面市时间，节省成本。 它使得我们无需对输入信号进行缓冲、电平转换、放大、衰减或其他调理，也消除了我们对共模抑制、噪声和建立时间的担忧，还解决了与设计高精度16位1 MSPS数据采集系统相关的诸多难题。

ADP1613配置为SEPIC转换器

ADP1613用作单端初级原边电感(SEPIC) Cuk转换器，是ADAS3022在外部5 V电源供电情况下，为其提供20 mA时所需±15 V高压电源以及最大值为3 mV的低输出纹波的理想选择。 本应用中，ADP1613的开关频率为1.3MHz。 如图3所示，ADP1613尽可能地减少了外部元器件数目，并且具有超过86%的效率，因此它能满足ADAS3022的规格要求。在该拓扑中使用低成本ADP1613的最大优势，是它在两条供电轨之间的出色跟踪能力，同时使用现成的耦合电感可产生±15 V电压。 除此之外，还能通过ADIsimPower设计工具轻松快捷地完成设计制造。

图3. ADP1613的效率(POUT/PIN)与输出电流(IOUT)的关系

图2所示电路采用ADP161x SEPIC-Cuk可下载设计工具中的下列输入进行设计，ADIsimPower提供该设计工具。 利用ADIsimPower设计工具可进行完全定制设计，并通过单个控制器的低成本SEPIC-Cuk拓扑快速创建稳定的双路供电轨。

测试设置的功能框图如图4所示。ADP1613评估板由外部+5 V电源驱动，产生ADAS3022板所需的±15 V电压。 7 V直流壁式电源为EVAL-CED1Z板供电。 EVAL-CED1Z板上的稳压器提供ADAS3022板所需的5 V电源。 运行交流测试时，采用Audio Precision SYS-2702产生低失真输入信号。

图4. 测试设置功能框图

图5显示的是ADAS3022工作在1 MSPS，并对其中一个通道施加20 Vp-p、20kHz输入信号时的典型动态性能。 试验中，分别采用线性±15 V台式电源和ADP1613评估板的±15 V输出驱动ADAS3022， 未观察到有交流或直流性能的差异。

图5. 使用EVAL-CED1Z评估板和软件的ADAS3022 FFT输出

结论

下一代工业PLC模块需要高精度、可靠运行和功能灵活性，所有这些特性都必须通过外形小巧的低成本产品提供。 ADAS3022具有业界领先的集成度和性能，支持广泛的电压和电流输入，以便处理工业自动化和过程控制的各种传感器信号。 ADAS3022是PLC模拟输入模块和其他数据采集卡的理想之选，它使得工业制造商能够让他们的系统具有与众不同的特性，同时满足更加严苛的用户要求。