PLC系统模拟输入输出发展趋势及设计挑战

模拟输入的关键：更佳稳定性和高速高性能ADC

与模拟输出相比，模拟输入发展更为强调系统的稳定性以及高速、高性能的ADC内核，其中稳定性包括过压保护和更佳的50 Hz/60 Hz抑制等。

在PLC/DCS模拟输入端，我们通常需要调理和转换两类电压，一类是输入范围包含±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进行转换前，我们需要至少在信号输入和ADC输入间放置一个运算放大器作为缓冲器。考虑到系统所追求的电压稳定性和可靠性指标，ADI具有过压保护功能的微功耗RRIO(轨到轨输入/输出)运算放大器ADA4096-x非常适合此类应用。

ADA4096-x的特点可以浓缩为几个关键词：32V、RRIO、精密、μPower以及过压保护(OVP)。其内部输入过压保护，最多可以超出供电轨±32V，放大器都不会损坏。此特性对存在电源时序控制问题的应用特别重要，该问题可导致信号源在放大器上电之前加入。

放大器过压保护有不同的方案，其中最为简单的就是内置静态放电(ESD)保护，很多基本的二极管保护电路都采用此方法，但是强壮型较差。此外，差分二极管以及外部二极管保护，由于成本较低也被广泛使用，但存在本身的漏电流和寄生电容对放大器产生影响等问题。

表1：各种内部和外部OVP解决方案对比


从表1中ADI OVP解决方案的电路图中可以看出，ADA4092-x有两个不同的ESD电路，用于增强其过压保护功能。其中一个电路是一个5kΩ的串联电阻，连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)。另一个保护电路为连接至供电轨的两个DIAC(D3和D4；D7和D8)，DIAC可以看作是带传递特性的双向齐纳二极管。对于最差条件设计分析，可考虑两种情况：从内部运算放大器输入端到供电轨，ADA4092-x采用正常的ESD结构；从外部输入端到供电轨，则采用42 V DIAC。

除上述集成式OVP解决方案外，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有60μA，只要保证在其电压工作范围3V至30V之间，这也使得它非常适合于电池供电或监控电池供电情况。其单位增益带宽为800kHz(Vsy = ±15V时的典型值)，会随着电压下降而有所降低。低失调电压的典型值也只有35μV。与同类产品相比，ADA4096-x具有竞争产品的2倍带宽、1/2 Vos、1/3TcVos及1/2Vn。该器件提供业内最高水平的过压保护，可以在要求严苛的工业与仪器仪表应用中稳定工作。


图4：连接到SDP板的EVAL-CN0241-SDPZ评估板

图4为ADI公司针对ADA4096-x输入过压保护的高端电流检测实验。

具有灵活滤波器选项的24位Σ-Δ型ADC

在工业应用中，当测量来自热电偶、应变计以及桥式压力传感器的低电平信号时，通常需要差分输入信号，以抑制来自电机、交流电力线，或其他的噪声源(这些噪声源将噪声引入模数转换器的模拟输入端)的共模干扰信号。

对于输入模块而言，Σ-Δ型ADC是最受欢迎的选择，因为它们能提供高精度及分辨率。此外，其内置的可编程增益放大器(PFG)可以精确测量小的输入信号。AD7176-2是ADI今年最新发布的24位Σ-Δ型ADC，在其内部滤波器设计方面，采用了最新的方法和思路。


图5：AD7176数字滤波器功能框图

如图5所示，AD7176-2有三个灵活的滤波器选项，支持对噪声、建立时间和抑制性能进行优化。最新的Sinc5+Sinc1滤波器部分，主要用于快速切换多路复用应用，可实现建立时间最快的快速通道切换，使通道扫描速率达到最大。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，从而控制最终ADC输出数据速率。

Sinc3滤波器在较低速率时可实现最佳单通道噪声性能，因此最适合单通道应用，可以使单通道、低速应用的分辨率达到最高。

增强型50 Hz和60 Hz抑制滤波器，旨在提供50 Hz和60 Hz同时抑制，并且允许以牺牲通道开关速率的代价换取抑制性能。这些滤波器是市面上最快的50 Hz/60 Hz抑制产品，可以最高27.27SPS的速率工作，或者可以抑制最高90 dB的50 Hz ± 1 Hz和60 Hz ± 1 Hz干扰。这些滤波器是通过对Sinc5 + Sinc1滤波器输出进行后滤波实现的。因此，使用增强型滤波器时，必须选择Sinc5 + Sinc1滤波器。

AD7176-2的可编程功能通过SPI串行接口执行，具有校验和模式，可用来提高接口的鲁棒性。CRC校验和在读写操作下都可工作，除了能够有效防止SPI通信错误外，还可以在内部对ADC配置进行校验，从而增强其稳定性。

这里值得一提的是：AD7176-2前端集成交叉点多路复用器，可以通过选择不同输入引脚来配置伪差分或全差分输入对，从而将任何模拟输入组合作为要转换的输入信号，并将其路由至调制器正或负输入。这样一来，AD7176-2就可以实现通道间的差分，从而大大提高其灵活性，这也是AD717x系列优于较早前的AD719x和AD779x产品的一个地方。

除此之外，AD7176-2还包括很多其他的优势：可以灵活设置输出速率，最高速率可高达250KSPS；在最高速率下，拥有17.2位的无噪声分辨率；最大通道扫描数据速率为50kSPS，建立时间为20μs，而且在此扫描速率下，仍可以得到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，减少了外部元件数；系统失调和增益误差，可针对各个通道进行校正，这种各通道可配置能力，适用于每一通道所用的滤波器类型和输出数据速率。

ADI采用AD7176-2设计了一款实验室电路——CN0310，用于工业级信号的24位、250kSPSΣ-Δ ADC系统，为工业级信号采集提供了快速、高精度的转换结果，具体的设计资源，可以在ADI的官网上获取(详情参考：http://www.analog.com/cn0310)。AD7176-2同时还提供了评估板套件，用户只需通过PC上的评估板软件，即可直接控制AD7176-2，评估板需要与SDP系统验证平台联合使用。


图6：CN0310——用于工业信号电平的精密24位、250 kSPS,单电源∑-△型ADC系统

除上述介绍的产品和解决方案外，ADI针对PLC/DCS应用最新推出了一些产品参考设计，其中包括适用于电压、电流、温度(热电偶+RTD)输入的隔离式单通道通用模拟输入模块CN0325，以及支持HART且适合通道间隔离系统的单通道模拟输出演示板CN0321。两款演示板均以面世，用户可通过www.analog.com/DC13-hardware查询具体价格信息。