PLC自20世纪70年代后期进入我国后，已然经过了三十多年的长足开展。不知正在阅读文章的各位，是否还记得您参加规划的第一款PLC电路?现现在，PLC及DCS仍然在工控范畴发挥侧重大效果，并且正在朝着模块更小、速度更快、通道密度更高的方向开展。
以PLC机架插槽的典型I/O卡为例，现在常见的8通道模块尺度一般为90mm×70mm×23.5mm，但在市场需求驱动下，手刺巨细的产品现已面世。通道密度或数量的添加不只能进步模块功用，并且能够添加产品价格竞赛力，天然大受欢迎。可是，怎么下降模块尺度?怎么在满意上述需求的一起处理由此发生的自热问题?怎么进行低功耗规划?这些，也都是PLC体系规划时面临的实践问题。
ADI进程操控系列之《工业现场环路供电仪器仪表的四大要害规划环节》一文，已就现场仪器仪表/变送器的规划需求和应战进行了深入剖析，作为该篇文章的姊妹篇，本文将侧重重视PLC/DCS体系中的模仿输入输出部分的开展趋势。这儿会将输入和输出模块区别开来，就其不同的体系要求进行别离讨论，并侧重介绍ADI能够支撑这些要求的最新优势产品和处理计划。
多通道全集成模仿输出处理计划
模仿输出考究的是集成、能效和功用。首要，模块尺度要小。现在，规划人员早现已过在产品规划中选用0402封装电阻电容以及LFCSP封装IC，到达削减电路板尺度的意图。与此一起，每个模块的功耗也由从前的5W-10W，开展到了现在的3W-5W，未来必然降至更低。在这方面，一些规划人员经过献身规划标准来满意功耗预算，此法虽然能到达下降功耗的意图，但必然也会导致产品竞赛力下降，因而并不引荐。
其次，通道密度要添加，由本来的4通道、8通道添加至现在的12乃至16通道。众所周知，空间不变而通道密度添加，会明显进步模块的环境温度，在某些状况下，高达100摄氏度的体系环境温度并不稀有，而这自身却会对最高IC结温形成应战。并且，通道密度的添加还意味着元件数量以及功耗的添加，这也从另一方面要求规划人员在挑选元件时，要尺度更小、静态电流更低并且功率更高。
第三，速度，即树立时刻要进步，然后完成工厂自动化。现在，模仿输出通道树立的时刻现已下降至20μs，但仍然在向更高功率开展。
第四，工艺安全要求也要进步，体系要引进安全完整性等级(SIL)来进步确诊性以及安稳性。
ADI多年来深耕工业操控范畴，其供给的模仿输出处理计划从开端的“四通道DAC+外部增益放大器”式全分立计划，开展到“四通道DAC+四个外部驱动器”式半集成计划，再到后来的单通道全集成式处理计划，以及最新的多通道全集成式处理计划，其间触及AD566x、AD5750、AD5422等多款工程师耳熟能详的芯片产品。
图1：工业输出的立异开展进程
图1所示为ADI工业输出产品的立异开展进程。以现在的眼光来看，前期的分立规划计划毫无疑问存在许多缺点：器材数量过多形成体系杂乱、电路板尺度过大以及本钱过高;多个器材导致差错度跟着不同极性系数改变，然后形成总差错难以核算;无法供给短路监测/维护或任何故障确诊;不包含许多工业操控模块中所有必要的电压输出等。
正因如此，集成式处理计划毫无疑问更胜一筹。例如AD5422/AD5412单通道16位/12位4mA～20mA和电压输出DAC，便是一款易于布置的处理计划，其紧凑型的封装中集成多种功用，供给彻底集成的可编程电流源和可编程电压输出，Iout规模为0/4mA～20 mA以及0 mA～24 mA;Vout规模为0 V～5 V、0 V～10 V、±5 V、±10 V和10%超量程，能够有用简化工厂进程操控和工业体系规划。
AD5755则是一款四通道16位4 mA～20 mA和电压输出DAC，除了将AD5422的单通道添加到四通道外，该产品还添加了动态功率操控功用，这也是业界首款具有动态功率操控功用的数据转化器。新功用不光有利于节能，并且还能够增强进程操控I/O体系的作业安稳性。
图2：(左)体系输出的常见架构图 ，(右)带动态功率操控的体系输出
图2(左)为体系输出最常见的架构。假定通道装备为4mA～20mA通讯，DAC需求驱动一个履行器负载，所以履行器的端接电阻决议环路所需的最大电源电压。现在的体系有必要能够驱动最高达(有时乃至超越)1 kΩ的负载，这是很常见的要求。关于这一负载阻抗和20 mA 的满量程电流，电源需求供给至少20V电压。假如考虑到DAC的电源裕量，电源或许升至24V。再考虑到输出级的功率调度，输出级电压较好的估计值为28V。
短路有或许是实在存在的条件，这首要是由于ADC模块可经过低至20欧的电阻值端接，以便检测。因而这样一来，8通道模块仅模仿部分的功耗就或许高于4W，再加上DC-DC级的功耗，假如以80%的功率来核算的话，仅模仿部分的功耗就将大于6W。这种状况下，自热效应和功耗预算的进步开端成为问题。模块内的温度升高或许导致体系差错增大，各个器材的漂移特性需求归入体系全体的差错预算中加以考虑。
一种有助于处理此问题的办法是从5V电源下手，在内部运用开关电源，依据输出负载状况智能且自动地对MOS管上端的电压进行调度，这便是ADI专有的动态功率操控处理计划。该计划能够检测输出负载，然后在负载改变或编程电流改变时，依据需求动态地升高输出依从电压，如图2(右)所示，只需在片内集成DC-DC升压转化器即可。
选用5V标称电源运转DC-DC转化器时，输出端的最低调度电压约为7V，而最高电源电压可超越30V，详细取决于需求。留意，这种状况下，需求再次考虑零负载条件，这是电流输出的一种有用条件。图2(右)的实践成果表明，在布置动态功率操控时，每参加一个DC-DC可让每个通道的独立功耗降至最低。在8个通道发生短路的状况，DC-DC将输出调度为7.5 V，然后约束了片内功耗和模块功耗。假定DC-DC阻隔级功率仍为80%，运用动态功率操控的8通道模块总功耗则降至3W。
图3很清楚地表明晰DC-DC操控启用前和启用后片内温度的比照。其间粉色为不启用DC-DC操控的景象，温升超越200度;蓝色为启用后的景象，温升只需五六十度。事实证明，经过运用动态功率操控功用，规划人员不只能够确保器材自我维护，并且能够将模块内的功耗降至较低水平。
图3：其间DC-DC调度功用后，片内芯片温度大幅下降
那么，参加片内DC-DC将会发生多少纹波?特别是考虑到后置调度阶段不运用LDO时，这样做对体系功用有何影响?事实上，AD5755电路规划时用到了DC-DC按捺元件，出于完整性考虑，还添加了可选低通RC滤波器，充任一阶抗混叠滤波器。试验证明，纹波起伏与树立时刻和输出电容之间存在权衡联系。因而，体系规划人员在运用该产品时，有必要首要确认体系能够容许的纹波巨细状况。
模仿输入的要害：更佳安稳性和高速高功用ADC
与模仿输出比较，模仿输入开展更为着重体系的安稳性以及高速、高功用的ADC内核，其间安稳性包含过压维护和更佳的50 Hz/60 Hz按捺等。
在PLC/DCS模仿输入端，咱们一般需求调度和转化两类电压，一类是输入规模包含±10V 的双极性电压，一类是0-10V的单极性电压。在将这些信号送入ADC进行转化前，咱们需求至少在信号输入和ADC输入间放置一个运算放大器作为缓冲器。考虑到体系所寻求的电压安稳性和可靠性目标，ADI具有过压维护功用的微功耗RRIO(轨到轨输入/输出)运算放大器ADA4096-x十分合适此类运用。
ADA4096-x的特色能够浓缩为几个要害词：32V、RRIO、精细、μPower以及过压维护(OVP)。其内部输入过压维护，最多能够超出供电轨±32V，放大器都不会损坏。此特性对存在电源时序操控问题的运用特别重要，该问题可导致信号源在放大器上电之前参加。
放大器过压维护有不同的计划，其间最为简略的便是内置静态放电(ESD)维护，许多根本的二极管维护电路都选用此办法，可是健壮型较差。此外，差分二极管以及外部二极管维护，由于本钱较低也被广泛运用，但存在自身的漏电流和寄生%&&&&&%对放大器发生影响等问题。
表1：各种内部和外部OVP处理计划比照
从表1中ADI OVP处理计划的电路图中能够看出，ADA4092-x有两个不同的ESD电路，用于增强其过压维护功用。其间一个电路是一个5kΩ的串联电阻，衔接至内部输入端和从内部输入端到供电轨的二极管(D1和D2;D5和D6)。另一个维护电路为衔接至供电轨的两个DIAC(D3和D4;D7和D8)，DIAC能够看作是带传递特性的双向齐纳二极管。关于最差条件规划剖析，可考虑两种状况：从内部运算放大器输入端到供电轨，ADA4092-x选用正常的ESD结构;从外部输入端到供电轨，则选用42 V DIAC。
除上述集成式OVP处理计划外，ADA4096-x还具有轨到轨输入/输出摆幅的特性。此外，该产品功耗很低，每个运算放大器的典型值只需60μA，只需确保在其电压作业规模3V至30V之间，这也使得它十分合适于电池供电或监控电池供电状况。其单位增益带宽为800kHz(Vsy = ±15V时的典型值)，会跟着电压下降而有所下降。低失调电压的典型值也只需35μV。与同类产品比较，ADA4096-x具有竞赛产品的2倍带宽、1/2 Vos、1/3TcVos及1/2Vn。该器材供给业界最高水平的过压维护，能够在要求苛刻的工业与仪器仪表运用中安稳作业。
图4：衔接到SDP板的EVAL-CN0241-SDPZ评价板
图4为ADI公司针对ADA4096-x输入过压维护的高端电流检测试验。
具有灵敏滤波器选项的24位Σ-Δ型ADC
在工业运用中，当丈量来自热电偶、应变计以及桥式压力传感器的低电平信号时，一般需求差分输入信号，以按捺来自电机、沟通电力线，或其他的噪声源(这些噪声源将噪声引进模数转化器的模仿输入端)的共模搅扰信号。
关于输入模块而言，Σ-Δ型ADC是最受欢迎的挑选，由于它们能供给高精度及分辨率。此外，其内置的可编程增益放大器(PFG)能够准确丈量小的输入信号。AD7176-2是ADI本年最新发布的24位Σ-Δ型ADC，在其内部滤波器规划方面，选用了最新的办法和思路。
图5：AD7176数字滤波器功用框图
如图5所示，AD7176-2有三个灵敏的滤波器选项，支撑对噪声、树立时刻和按捺功用进行优化。最新的Sinc5+Sinc1滤波器部分，首要用于快速切换多路复用运用，可完成树立时刻最快的快速通道切换，使通道扫描速率到达最大。Sinc5模块输出固定在250kSPS的最大速率，Sinc1模块的输出数据速率可变，然后操控终究ADC输出数据速率。
Sinc3滤波器在较低速率时可完成最佳单通道噪声功用，因而最合适单通道运用，能够使单通道、低速运用的分辨率到达最高。
增强型50 Hz和60 Hz按捺滤波器，旨在供给50 Hz和60 Hz一起按捺，并且答应以献身通道开关速率的价值交换按捺功用。这些滤波器是市面上最快的50 Hz/60 Hz按捺产品，能够最高27.27SPS的速率作业，或许能够按捺最高90 dB的50 Hz ± 1 Hz和60 Hz ± 1 Hz搅扰。这些滤波器是经过对Sinc5 + Sinc1滤波器输出进行后滤波完成的。因而，运用增强型滤波器时，有必要挑选Sinc5 + Sinc1滤波器。
AD7176-2的可编程功用经过SPI串行接口履行，具有校验和形式，可用来进步接口的鲁棒性。CRC校验和在读写操作下都可作业，除了能够有用避免SPI通讯过错外，还能够在内部对ADC装备进行校验，然后增强其安稳性。
这儿值得一提的是：AD7176-2前端集成交叉点多路复用器，能够经过挑选不同输入引脚来装备伪差分或全差分输入对，然后将任何模仿输入组合作为要转化的输入信号，并将其路由至调制器正或负输入。这样一来，AD7176-2就能够完成通道间的差分，然后大大进步其灵敏性，这也是AD717x系列优于较早前的AD719x和AD779x产品的一个当地。
除此之外，AD7176-2还包含许多其他的优势：能够灵敏设置输出速率，最高速率可高达250KSPS;在最高速率下，具有17.2位的无噪声分辨率;最大通道扫描数据速率为50kSPS，树立时刻为20μs，并且在此扫描速率下，仍能够得到17位无噪声分辨率;INL仅为全量程的2.5ppm;内部集成2.5V基准和振荡器，削减了外部元件数;体系失谐和增益差错，可针对各个通道进行校对，这种各通道可装备才能，适用于每一通道所用的滤波器类型和输出数据速率。
ADI选用AD7176-2规划了一款试验室电路——CN0310，用于工业级信号的24位、250kSPSΣ-Δ ADC体系，为工业级信号收集供给了快速、高精度的转化成果，详细的规划资源，能够在ADI的官网上获取(概况参阅：http://www.analog.com/cn0310)。AD7176-2一起还供给了评价板套件，用户只需经过PC上的评价板软件，即可直接操控AD7176-2，评价板需求与SDP体系验证渠道联合运用。
图6：CN0310——用于工业信号电平的精细24位、250 kSPS,单电源∑-△型ADC体系
除上述介绍的产品和处理计划外，ADI针对PLC/DCS运用最新推出了一些产品参阅规划，其间包含适用于电压、电流、温度(热电偶+RTD)输入的阻隔式单通道通用模仿输入模块CN0325，以及支撑HART且合适通道间阻隔体系的单通道模仿输出演示板CN0321。
