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简介
可编程逻辑操控器(PLC)是许多工业主动化和进程操控体系的中心，可监控和操控杂乱的体系变量。依据PLC的体系选用多个传感器和履行器，可丈量和操控模仿进程变量，例如压力、温度和流量。PLC广泛运用于许多不同运用，例如工厂、炼油厂、医疗设备和航空航天体系，它们需求很高的精度，还要保持稳定的长期作业。此外，剧烈的市场竞争局势要求有必要下降本钱和缩短规划时刻。因而，工业设备和要害基础设施的规划人员在满意客户对精度、噪声、漂移、速度和安全的严厉要求方面遇到了严峻的应战。本文以PLC运用为例，阐明多功用、低本钱的高度集成ADAS3022怎么经过替换模仿前端(AFE)级，下降杂乱性、处理多通道数据收集体系规划中遇到的许多难题。这种高功用器材具有多个输入规模，十分合适高精度工业、仪器、电力线和医疗数据收集卡运用，可以下降本钱和加速产品面市，一起占用空间很小，易于运用，在1 MSPS速率下供给真实的16位精度。
PLC运用示例
图1显现在工业主动化和进程操控体系中运用PLC的简化信号链。PLC一般包含模仿和数字输入/输出(I/O)模块、中央处理器(CPU)和电源办理电路。
在工业运用中，模仿输入模块可获取和监控恶劣环境中的长途传感器信号，例如存在极点温度和湿度、振荡、爆破化学物品的环境。典型信号包含具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程规模的单端电压或差分电压，或许0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA规模的环路电流。当遇到具有严峻电磁搅扰(EMI)的长电缆时，一般运用电流环路，由于它们自身具有杰出的抗扰度。
模仿输出模块一般操控履行器，例如继电器、电磁阀和阀门等，以构成完好主动化操控体系。它们一般供给具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程规模的输出电压，以及4 mA至20 mA的环路电流输出。
典型模仿I/O模块包含2个、4个、8个或16个通道。为满意严厉行业规范，这些模块需求供给过压、过流和EMI浪涌维护。大多数PLC包含ADC和CPU之间、CPU和DAC之间的数字阻隔。高端PLC或许还有世界电工委员会(IEC)规范规则的通道间阻隔。许多I/O模块可以对每通道的对单端或差分输入规模、带宽和吞吐率独自进行软件编程。
在现代PLC中，CPU主动履行多个操控使命，运用实时信息拜访进行智能决议计划。CPU或许包含高档软件和算法以及Web衔接，用于过失校验确诊和毛病检测。常用通讯接口包含RS-232、RS-485、工业以太网、SPI和UART。
分立式数据收集体系计划
工业规划人员可以运用分立式高功用组件，为PLC或相似数据收集体系构建模仿模块，如图2所示。首要规划考虑要素包含输入信号装备、全体体系速度、精度和准确性。此处所示的信号链选用 ADG1208/ADG1209 低走漏多路复用器、 AD8251快速树立可编程增益外表扩大器(PGIA)、 AD8475高速漏斗扩大器、AD7982差分输入18位 PulSAR®ADC和 ADR4550超低噪声基准电压源。这种处理计划供给四个不同增益规模，但在±10 V的最大输入信号的情况下，规划人员必然会忧虑多路复用器的切换和树立时刻，以及其他模仿信号调度问题。此外，在1 MSPS速率下完成真实的16位功用或许是一个严峻应战，即便在运用这些高功用器材时也是如此。
AD7982具有满量程阶跃的290 ns瞬态呼应功用。因而，要在1 MSPS速率下进行转化的一起确保指定功用，PGIA和漏斗扩大器有必要在710 ns时刻内树立。可是，AD8251针对10 V阶跃到达16位转化精度(0.001%)的树立时刻为785ns，因而该信号链的确保最大吞吐率将小于1 MSPS。
集成式处理计划简化数据收集体系规划
16位1 MSPS ADAS3022数据收集体系IC选用专有高压工业工艺技术iCMOS®制作，集成8通道、低走漏多路复用器；高阻抗PGIA （具有高共模按捺）；高精度低漂移4.096 V基准电压源和缓冲器；16位逐次迫临型ADC。如图3所示。
这个完好传感器数据收集处理计划占用的电路板空间仅为分立计划的三分之一，有助于工程师简化规划，一起减小高档工业数据收集体系的尺度，缩短产品面市时刻，节约本钱。它使得咱们无需对输入信号进行缓冲、电平转化、扩大、衰减或其他调度，也消除了咱们对共模按捺、噪声和树立时刻的忧虑，还处理了与规划高精度16位1 MSPS数据收集体系相关的许多难题。它可在1 MSPS速率下（典型 SNR为91 dB）供给同类最佳的16位精度（典型INL为±0.6 LSB）、低失调电压、低温度漂移和优化噪声功用，如图4所示。该器材的额外温度规模为–40°C至+85°C工业温度规模。
PGIA具有很大的共模输入规模、真实的高阻抗输入(>500 MΩ)和宽动态规模，这使得它可以处理4 mA至20 mA的环路电流，准确丈量小传感器信号，按捺沟通电力线、电机和其他来历的搅扰（90 dB的最小CMR）。
辅佐差分输入通道可处理±4.096 V输入信号。它旁路多路复用器和PGIA级，答应与16位SAR ADC直接接口。片内温度传感器可以监控本地温度。
这种高集成度可以节约电路板空间，下降全体部件本钱，使得ADAS3022十分合适空间受限的运用，例如主动测试设备、电力线监控、工业主动化、进程操控、患者监护以及其他工业和外表体系，它们都选用±10 V的工业信号电平作业。
图5显现完好的8通道数据收集体系(DAS)。ADAS3022选用±15 V和+5 V模仿和数字电源，以及1.8V至5V逻辑I/O电源。高效率、低纹波DC-DC升压转化器 ADP1613使得DAS可以选用5 V单电源作业。ADP1613运用ADIsimPower™ 规划东西装备为单端初级原边电感(SEPIC)拓扑，供给多路复用器和PGIA所需的±15 V双极性电源，而不会影响功用。
表1对ADAS3022和分立信号链的噪声功用进行了比较，并运用每个元件的输入信号起伏、增益、等效噪声带宽(ENBW)和折合到输入端的(RTI)噪声，核算整个信号链的总噪声。
表1. ADAS3022和分立信号链的噪声功用
| ADG1209 | AD8251 | AD8475 | AD7982 | 总噪声 | ADAS3022 | 输入信号 | |||
| 噪声 | RTI | RTI | RTI | RTI | SNR | RTITotal | SNR | SNR | |
| (μV rms) | (μV rms) | (μV rms) | (μV rms) | (dB) | (μV rms) | (dB) | (dB) | (V rms) | |
| 增益 = 1 (±10 V) | 6.56 | 124 | 77.5 | 148 | 95.5 | 208 | 90.6 | 91.5 | 7.07 |
| 增益 = 2 (±5 V) | 6.56 | 83.7 | 38.8 | 74.2 | 95.5 | 119 | 89.5 | 91.0 | 3.54 |
| 增益 = 4 (±2.5 V) | 6.56 | 68.2 | 19.4 | 37.1 | 95.5 | 80.3 | 86.8 | 89.7 | 1.77 |
| 增益 = 8 (±1.25 V) | 6.56 | 55.8 | 9.69 | 18.5 | 95.5 | 60.0 | 83.4 | 86.8 | 0.88 |
AD8475和AD7982（图2）之间的单极点低通滤波器(LPF)可以衰减来自AD7982的开关电容输入的反冲，约束高频噪声量。LPF的–3 dB带宽(f–3dB) 为6.1 MHz（R = 20 Ω，C = 1.3 nF），在1 MSPS速率下进行转化时，可快速树立输入信号。LPF的ENBW核算方法为：
ENBW = π/2 × f–3dB = 9.6 MHz.
请注意，此核算方法疏忽了来自基准电压源和LPF的噪声，由于它不会对首要由PGIA决议的总噪声发生很大影响。
以运用±5 V输入规模为例。在此情况下，AD8251的增益设置为2。漏斗扩大器设置的固定增益为0.4，适用于一切四种输入规模。因而AD7982要处理0.5V至4.5V的差分信号(4 V p-p)。ADG1208的RTI噪声从Johnson/Nyquist噪声公式得出：en2 = 4KBTRON,
其间 KB = 1.38 × 10 23 J/K, T = 300K, 和 RON = 270 Ω.
AD8251的RTI噪声由数据手册中增益为2时的27 nV/√Hz噪声密度得出。相同，AD8475的RTI噪声也由10 nV/√Hz噪声密度得出，运用的增益为0.8 (2 × 0.4)。在这些核算中，ENBW = 9.6 MHz。AD7982的RTI噪声则依据数据手册中增益为0.8时的95.5 dB SNR核算得到。整个信号链的总RTI噪声依据分立元件的RTI噪声的方和根(rss)核算。89.5 dB的总SNR可经过公式SNR = 20 log(VINrms/RTITotal)核算。
尽管分立信号链的理论噪声估计值(SNR)和全体功用与ADAS3022适当，特别是在低增益（G = 1和G = 2）和低吞吐率（远低于1 MSPS）条件下，但它并非抱负处理计划。与分立式处理计划比较，ADAS3022可以节约大约50%的本钱和大约67%的电路板空间，它还可以接纳其他三个输入规模（±0.64 V、±20.48 V、±24.576 V），这是分立式处理计划无法供给的。
定论
下一代工业PLC模块需求高精度、牢靠运转和功用灵活性，一切这些特性都有必要经过外形细巧的低本钱产品供给。ADAS3022具有业界抢先的集成度和功用，支撑广泛的电压和电流输入，以便处理工业主动化和进程操控的各种传感器信号。ADAS3022是PLC模仿输入模块和其他数据收集卡的抱负之选，它使得工业制作商可以让他们的体系具有异乎寻常的特性，一起满意愈加苛刻的用户要求。
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参阅电路
Kessler, Matthew. Synchronous Inverse SEPIC Topology Provides High Efficiency for Noninverting Buck/Boost Voltage Converters, Analog Dialogue, Vol. 44, No. 2, 2010.
Slattery, Colm, Derrick Hartmann, and Li Ke. PLC evaluation Board Simplifies Design of Industrial Process Control Systems, Analog Dialogue, Vol. 43, No. 2, 2009.
Circuit Note CN0201. Complete 5 V, Single-Supply, 8-Channel Multiplexed Data Acquisition System with PGIA for Industrial Signal Levels.
MT-048 Tutorial. Op Amp Noise Relationships; 1/f Noise, RMS Noise, and Equivalent Noise Bandwidth.
