這種分立設(shè)計(jì)方案有很多缺陷：器件數(shù)量多，造成系統(tǒng)復(fù)雜,、大的電路板尺寸以及成本,；總誤差難以計(jì)算，多個(gè)器件導(dǎo)致誤差度隨著不同極性系數(shù)而變化,；這種設(shè)計(jì)不能提供短路檢測(cè)/保護(hù)或者任何故障診斷,；不包括許多工業(yè)控制模塊中必需的電壓輸出。添加任何這類特性都將會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜性和器件數(shù)量的增加,，更好的解決方案是集成上述所有特性的單芯片IC,，例如， AD5412/AD5422 這些低成本,、高精度的12位/16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,。基于這些器件的方案能夠提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出,，專為滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用需求而設(shè)計(jì),。

圖5. AD5422可編程電壓/電流輸出。

輸出電流范圍可編程為：4mA至20 mA、0mA至20mA或者擴(kuò)展的0mA至24mA,。電壓輸出由獨(dú)立的引腳提供,，輸出范圍可以設(shè)置為：0V至5V、0V至10V,、±5V或±10V,，并且所有范圍都允許擴(kuò)展10%。模擬輸出具有短路保護(hù),，在發(fā)生錯(cuò)誤接線輸出時(shí),，這是一個(gè)關(guān)鍵特性——例如，用戶將輸出連接到地而非負(fù)載,。AD5422也具有斷路檢測(cè)特性,，能夠監(jiān)控電流輸出通道，以確保在輸出和負(fù)載之間沒有故障發(fā)生,。在斷路情況下,，F(xiàn)AULT管腳將激活，向系統(tǒng)控制器報(bào)警,?？删幊屉娏?電壓輸出驅(qū)動(dòng)器 AD5750 則兼具短路檢測(cè)和保護(hù)特性。

圖6所示為用于PLC評(píng)估系統(tǒng)的輸出模塊,。早期的系統(tǒng)一般需要隔離500V至1kV的電壓,，而現(xiàn)今通常需要隔離高于2KV的電壓。 ADuM1401 數(shù)字隔離器采用 iCoupler5 技術(shù),，為MCU和遠(yuǎn)端負(fù)載之間,，或者輸入/輸出模塊和背板之間提供必要的隔離。ADuM1401的3個(gè)通道在一個(gè)方向上進(jìn)行通信,，第4個(gè)通道在相反方向進(jìn)行通信,，提供來(lái)自轉(zhuǎn)換器的隔離數(shù)據(jù)回讀。對(duì)于更新的工業(yè)設(shè)計(jì),，ADuM3401 及該系列數(shù)字隔離器的其它產(chǎn)品能夠提供增強(qiáng)的系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù),。

圖6. 輸出模塊級(jí)。

AD5422產(chǎn)生自己的邏輯電源(DVCC),，它能被直接連接到ADuM1401的現(xiàn)場(chǎng)側(cè),，而無(wú)需攜帶邏輯電源通過隔離勢(shì)壘。AD5422包括一個(gè)內(nèi)部感應(yīng)電阻,，但是當(dāng)要求更低的漂移時(shí),，也可采用一個(gè)外部感應(yīng)電阻(R1)。因?yàn)楦袘?yīng)電阻控制輸出電流,，其電阻的任何漂移都將影響輸出,。內(nèi)部感應(yīng)電阻的典型溫度系數(shù)是15ppm/°C至20ppm/°C,，在60°C溫度范圍上會(huì)增加0.12%的誤差。在高性能系統(tǒng)應(yīng)用中,，一個(gè)外部感應(yīng)電阻(2ppm/°C)能被用于保持漂移小于0.016%,。

AD5422內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源(最大漂移10ppm/°C)，這個(gè)基準(zhǔn)電壓源在PLC評(píng)估系統(tǒng)中的所有4個(gè)通道上均可被激活,。另一個(gè)選擇方案是超低噪聲XFET基準(zhǔn)電壓源 ADR445 它具有0.04%的內(nèi)部精度,，溫漂3ppm/°C，可用于兩個(gè)輸出通道,，選擇內(nèi)置或是外部基準(zhǔn)電壓取決于總的系統(tǒng)性能需求,。

輸入模塊： 輸入模塊的技術(shù)規(guī)格與輸出模塊相似。通常,，高分辨率和低噪聲是很重要的,。在工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)測(cè)量來(lái)自熱電偶,、應(yīng)變計(jì)以及橋式壓力傳感器的低水平信號(hào)時(shí),，通常需要差分輸入信號(hào)，以抑制來(lái)自電機(jī),、交流電力線,，或其它的噪聲源(這些噪聲源將噪聲引入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模擬輸入端)的共模干擾信號(hào)。

對(duì)于輸入模塊而言,，Σ-Δ型ADC是最受歡迎的選擇,，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁└呔燃案叻直媛省４送?，其?nèi)置可編程增益放大器(PGA)可以精確測(cè)量小的輸入信號(hào),。圖7所示為用于評(píng)估系統(tǒng)的輸入模塊設(shè)計(jì)。3通道,、24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793 被配置為可提供較大范圍的輸入信號(hào)，例如4mA至20mA,、±10V以及直接來(lái)自傳感器的小信號(hào)輸入,。

圖7. 輸入模塊設(shè)計(jì)。

這種普遍的輸入設(shè)計(jì)很容易適應(yīng)RTD/熱電偶模塊,。如圖所示,，每個(gè)輸入通道提供兩個(gè)輸入接線端子。一個(gè)輸入端子直接連到AD7793,。用戶可以對(duì)內(nèi)置PGA進(jìn)行編程,，以提供高達(dá)128的模擬增益。第二個(gè)輸入端子使信號(hào)能夠通過JFET輸入儀表放大器 AD8220 被調(diào)理,。這樣,，輸入信號(hào)就被削弱,、放大，并經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換,，以提供單端輸入信號(hào)給ADC,。除了提供電平轉(zhuǎn)換功能，AD8220還具有非常好的共模抑制特性,，這在寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用中很重要,。

低功耗、高性能的AD7793功耗小于500μA,，而AD8220功耗小于750μA,。這個(gè)通道被設(shè)計(jì)為可接受4mA至20mA、0V至5V以及0V至10V的模擬輸入信號(hào),。輸入模塊的其它通道針對(duì)雙極性工作方式設(shè)計(jì),，可接受±5V 和±10V的輸入信號(hào)。

為測(cè)量一個(gè)4mA至20mA輸入信號(hào),，一個(gè)低漂移精密電阻通過開關(guān)(S4)連入電路,。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，該電阻的阻值為250Ω,，但是,，只要產(chǎn)生的電壓在AD8220的輸入范圍內(nèi)，就可以用任意電阻值,。在測(cè)量電壓時(shí),，S4保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

大多數(shù)輸入模塊設(shè)計(jì)都需要隔離,。圖7展示了在PLC評(píng)估系統(tǒng)的一個(gè)通道上如何實(shí)現(xiàn)隔離,。4通道數(shù)字隔離器ADuM5401 采用isoPower®6 技術(shù)，可提供2.5kV的有效值(RMS)信號(hào)和功率隔離,。除了提供4個(gè)隔離的信號(hào)通道,，ADuM5401還包含1個(gè)隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的5V,、500mW輸出信號(hào),，以驅(qū)動(dòng)輸入模塊的模擬電路

完整的系統(tǒng)：圖8所示為完整系統(tǒng)的概覽。 ADuC7027 精密模擬微控制器7是主要的系統(tǒng)控制器,。其內(nèi)嵌ARM7TDMI內(nèi)核,，32位架構(gòu)可輕松實(shí)現(xiàn)該器件與24位ADC的連接。它還支持16位thumb模式,，如果需要,，可實(shí)現(xiàn)更高的代碼密度。ADuC7027帶有16kB片上閃存,，并可外接512kB存儲(chǔ)器,。高精度,、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)ADP3339 可為微控制器提供穩(wěn)壓電源。

圖8. 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì),。

評(píng)估板和PC之間的通信通過ADM3251E提供,，該器件與RS-232收發(fā)器隔離。ADM3251E結(jié)合了isoPower技術(shù),，無(wú)需另外的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器,。它非常適于嚴(yán)苛電力環(huán)境下的操作，或者需要頻繁插拔RS-232電纜的場(chǎng)合,，因?yàn)镽S-232的引腳,，包括Rx和Tx，都需要防范±15kV的靜電放電干擾,。

評(píng)估系統(tǒng)軟件和評(píng)估工具：這套評(píng)估系統(tǒng)具有多種功能,。與PC的通信可通過LabView8實(shí)現(xiàn)。微控制器(ADuC7027)的固件用C語(yǔ)言編寫,，能夠控制往來(lái)ADC和DAC通道的低級(jí)命令,。

圖9所示為主屏幕界面。左側(cè)的下拉菜單使用戶能夠選擇激活的ADC和DAC通道,。在每一個(gè)ADC和DAC菜單下方是一個(gè)范圍設(shè)置下拉菜單,，用于選擇期望的輸入和輸出范圍進(jìn)行測(cè)量和控制。它支持的輸入和輸出范圍包括：4mA至20mA,、0mA至20mA,、0mA至24mA、0V至5V,、0V至10V,、±5V和±10V。通過利用內(nèi)置的PGA,，ADC可直接提供小的信號(hào)輸入范圍,。

圖9. 評(píng)估軟件主屏幕控制器。

圖10所示的是ADC配置屏,，用于設(shè)置ADC通道,、更新速率和PGA增益；使能或禁止激勵(lì)電流,；以及其它通用ADC設(shè)置。通過將相應(yīng)的DAC輸出通道連接到ADC輸入端,，并調(diào)整每個(gè)范圍,，可以校準(zhǔn)每個(gè)ADC通道。采用這種校準(zhǔn)方法時(shí),，AD5422的偏移和增益誤差指示每個(gè)通道的偏移和增益,。如果這些不夠精確,，可采用超高精度電流和電壓源進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖10. ADC配置屏幕,。

在選擇ADC的輸入通道,、輸入范圍和更新速率之后，現(xiàn)在我們利用ADC Stats屏幕,，如圖11所示,，顯示一些被測(cè)量的數(shù)據(jù)。在這個(gè)屏幕上,，用戶選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行記錄,；軟件生成所選通道的柱狀圖，計(jì)算峰-峰(P-P)和有效值(RMS)噪聲并顯示結(jié)果,。在此處顯示的測(cè)量范例中,，輸入信號(hào)通過AD8220被連接到AD7793：增益=1，更新速率=16.7Hz,，采樣數(shù)=512,，輸入范圍=±10V，輸入電壓=2.5V,。峰-峰分辨率為18.2位,。

圖11. ADC統(tǒng)計(jì)屏幕。

在圖12中,，輸入信號(hào)被直接連接到AD7793,，繞過AD8220。片上2.5V基準(zhǔn)電壓被直接連到AD7793的AIN+和AIN–通道,，提供一個(gè)0V的差分信號(hào)給ADC,。峰-峰分辨率是20.0位。如果ADC條件保持相同,，但2.5V的輸入被連接到AD8220,，則峰-峰分辨率下降到18.9位，其原因有兩個(gè)：在低增益時(shí),，AD8220帶給系統(tǒng)一些噪聲,；提供輸入衰減的可調(diào)電阻導(dǎo)致ADC出現(xiàn)一些范圍損失。PLC評(píng)估系統(tǒng)允許用戶改變可調(diào)電阻以優(yōu)化ADC的滿量程范圍,。

圖12. AD7793性能,。

電源輸入保護(hù)：PLC評(píng)估系統(tǒng)采用針對(duì)電磁兼容(EMC)的最佳實(shí)踐。一個(gè)穩(wěn)壓直流電源(18V至36V)通過2線或3線接口連接到板上,。電源必須防范故障和電磁干擾(EMI),。如圖13所示，在板級(jí)設(shè)計(jì)中采取下列防御措施,，以確保PLC評(píng)估系統(tǒng)免于電源端口可能產(chǎn)生的各種干擾,。

圖13. 電源輸入保護(hù),。

• 壓敏電阻R1被連接到靠近電源輸入端口的地。在常規(guī)操作期間,，R1的阻抗非常高(兆歐姆),，因此漏電流很低(微安培)。當(dāng)一個(gè)電流浪涌(例如由閃電引起)被感應(yīng)到電源輸入端口時(shí),，壓敏電阻擊穿,，微小的電壓變化就會(huì)導(dǎo)致快速的電流變化。在數(shù)十納秒(ns)內(nèi),，壓敏電阻的阻抗顯著下降,。這種低阻抗路徑可使得多余的能量浪涌返回到輸入端，這樣就保護(hù)了IC線路,。3個(gè)可選的壓敏電阻(R2,、R3和R4)也被連接到輸入路徑中，以便在PLC板采用3線配置供電時(shí)提供保護(hù),。這些壓敏電阻的成本一般低于1美元,。
• 一個(gè)正溫度系數(shù)電阻PTC1與電源輸入走線串聯(lián)連接。在常規(guī)運(yùn)行期間,，PTC1的阻抗非常低,，對(duì)電路的其余部分沒有影響。當(dāng)電流超出標(biāo)稱值時(shí),，PTC1的溫度和阻抗都會(huì)迅速增加,。這種高阻抗模式限制了電流并保護(hù)了輸入電路。當(dāng)電流減少到標(biāo)稱值時(shí),，阻抗就回到標(biāo)準(zhǔn)值,。
• 當(dāng)PLC板浮動(dòng)時(shí)，Y電容器C2,、C3和C4可抑制共模傳導(dǎo)EMI,。這些安全電容器要求具有低阻抗和高耐壓的特性。設(shè)計(jì)人員必須采用具有UL或CAS認(rèn)證的Y電容器,，并遵守絕緣強(qiáng)度法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),。
• 電感器L1和L2濾掉從電源端口進(jìn)入的共模傳導(dǎo)干擾信號(hào)。二極管D1保護(hù)系統(tǒng)不受反向電壓影響,。工作電流下規(guī)定了一個(gè)低的正向電壓的通用硅或肖特基二極管可被使用,。

模擬輸入保護(hù)：PLC板能夠提供電壓和電流輸入。圖14所示為輸入電路結(jié)構(gòu),。負(fù)載電阻R5被切換進(jìn)電路以實(shí)現(xiàn)電流模式,。電阻R6和R7削弱輸出信號(hào)。電阻R8設(shè)置AD8220的增益,。這些模擬輸入端口會(huì)受到外部終端連接的電涌和靜電放電干擾,。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)可提供高效保護(hù)使其免受放電干擾。當(dāng)一個(gè)高能量瞬態(tài)電壓出現(xiàn)在模擬輸入端口時(shí),，TVS在幾納秒內(nèi)從高阻抗降到低阻抗,。它能吸收功率高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌信號(hào)，并將模擬輸入信號(hào)鉗制到一個(gè)預(yù)置電壓,，這樣就保護(hù)精密器件免受浪涌損害,。TVS的優(yōu)點(diǎn)包括具有快速響應(yīng)時(shí)間、高瞬態(tài)吸收功率,、低漏電流,、低擊穿電壓誤差，以及小封裝尺寸,。

圖14. 模擬輸入保護(hù),。

儀表放大器經(jīng)常被用于處理模擬輸入信號(hào)。這些精密的,、低噪聲器件對(duì)干擾很敏感,，因此流進(jìn)模擬輸入端口的電流應(yīng)被限制在幾毫安以下。外部肖特基二極管通?？杀Ｗo(hù)儀表放大器,。即使在已具有內(nèi)置ESD保護(hù)二極管的情況下，采用外部二極管也可使限制電阻更小并減小噪聲和偏移誤差,。雙肖特基勢(shì)壘二極管D4-A和D4-B驅(qū)動(dòng)過流到達(dá)電源或地,。

當(dāng)把連接外部傳感器例如熱電偶(TC)或電阻溫度檢測(cè)器(RTD)直接連到ADC時(shí)，需要類似的保護(hù),，如圖15所示,。

圖15. 模擬輸入保護(hù)。

• 兩個(gè)TVS網(wǎng)絡(luò)(D5-C和D5-D)被放在J2輸入管腳后,，以抑制來(lái)自端口的瞬態(tài)信號(hào),。
• C7、C8,、C9,、R9和R10構(gòu)成ADC前面的RF衰減濾波器。這個(gè)濾波器有三個(gè)作用：從輸入線路中去掉盡可能多的RF能量,，以保持每條線路和地之間的交流信號(hào)平衡,，并維持足夠高的測(cè)量帶寬輸入阻抗，以避免載入信號(hào)源,。該濾波器在-3dB差分和共模帶寬分別是7.9kHz和1.6MHz,。

模擬輸出保護(hù)： PLC評(píng)估系統(tǒng)可通過軟件配置為各種范圍內(nèi)的輸出模擬電壓或電流。輸出信號(hào)由AD5422提供，該器件是一款高精度,、低成本,、完全集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它能提供可編程電流源和可編程電壓輸出,。AD5422的電壓和電流輸出可被直接連到外部負(fù)載上,，因此它們易受到電壓浪涌和EFT脈沖的影響。

輸出電路結(jié)構(gòu)如圖16所示,。

圖16. 模擬輸出保護(hù),。

• 一個(gè)TVS(D11)被用于濾除并抑制來(lái)自端口J5的所有瞬態(tài)信號(hào)。
• 一個(gè)絕緣的陶瓷鐵氧體磁珠(L3)串聯(lián)進(jìn)輸出路徑,，以增加對(duì)高頻瞬態(tài)噪聲的隔離和去耦效果,。在低頻(<100 kHz)時(shí)，鐵氧體被感應(yīng),；因此它們?cè)诘屯↙C濾波器中是有益的,。在100kHz以上，鐵氧體不能被感應(yīng),，這是高頻濾波器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要特性,。鐵氧體磁珠具有三個(gè)作用：局部化系統(tǒng)噪聲，阻止外部高頻噪聲到達(dá)AD5422,，并防止內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲波及系統(tǒng)其余部分,。當(dāng)鐵氧體處于飽和狀態(tài)時(shí)，它們就變成非線性的并會(huì)損失濾波特性,。因此,，鐵氧體的直流飽和電流一定不能超出其限制范圍，特別是當(dāng)產(chǎn)生高電流時(shí),。
• 雙肖特基勢(shì)壘二極管D9-A和D9-B將所有的過流都轉(zhuǎn)移到正或負(fù)電源,。在AD5422驅(qū)動(dòng)1μF容性負(fù)載時(shí)，C22提供電壓輸出緩沖以及相位補(bǔ)償,。
• 電流輸出通道上的保護(hù)線路與電壓輸出通道上的相當(dāng)類似,，只是用一個(gè)10Ω電阻(R17)取代了鐵氧體磁珠。從AD5422輸出的電流被外部的分立式NPN晶體管Q1提升,。通過減小流入片上輸出晶體管的電流,，外部升壓晶體管的加入將減少AD5422中的功率損耗。Q1的擊穿電壓BVCEO應(yīng)大于60V,。在AD5422被用于極端供電電壓,、負(fù)載電流和溫度范圍情況的應(yīng)用中，這種外部升壓能力是很有益的,。升壓晶體管還可被用于減少溫度感應(yīng)漂移,，從而使片上基準(zhǔn)電壓的漂移達(dá)到最小,，并改善器件的漂移和線性度。
• 一個(gè)15kΩ的精密低漂移電流設(shè)置電阻(R15)被連接到RSET,，以改善電流輸出穩(wěn)定性,。
• 在AD5422由外部電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，PLC演示系統(tǒng)可被配置為提供高于15V的電壓輸出,。TVS用于保護(hù)電源輸入端口,。二極管D6和D7提供反向偏置保護(hù)。所有電源采用10μF的固態(tài)鉭電容和0.1μF的陶瓷電容去耦,。

IEC測(cè)試及結(jié)果：表3中的結(jié)果顯示出在測(cè)試期間發(fā)生的DAC輸出偏離情況。測(cè)試完成之后輸出值恢復(fù)到初始值,，這一般是指B級(jí),。A級(jí)意味著在測(cè)試期間，偏離值處于允許的系統(tǒng)精度范圍內(nèi),。典型的工業(yè)控制系統(tǒng)精度大約是0.05%,。

表3. IEC測(cè)試結(jié)果。