面向PLC的精密信号处理与数据转换器件

可编程逻辑控制(PLC)是一种基于计算机的紧凑的电子系统，它使用数字或者模拟输入/输出模块来控制机器、工艺和其他控制模块。PLC能够接收(输入)和发送(输出)各种不同类型的电气和电子信号，并利用它们来控制和监测几乎任何一种机械和/或电气系统。PLC可以按照所能提供的I/O功能来分类。例如，一个nano PLC具备的I/O数少于32路，一个micro PLC的I/O数在32和128路之间，而小型PLC的I/O数则达到了128～256，其余依此类推。图1描绘典型的PLC系统。

图1 PLC系统架构，示出了各种不同的I/O模块功能

　　PLC系统包含输入模块、输出模块和输入/输出模块。因为许多输入和输出都涉及现实世界中的模拟变量--而控制器是数字式的-PLC系统硬件设计任务将主要围绕如下方面展开：数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、输入和输出信号调理、输入/输出模块的电气连线与控制器之间以及模块相互之间的隔离问题。

　　I/O模块的分辨率范围从12位到16位，在整个工业级温度范围的精度为0.1%。模拟输出电压范围通常为±5V、±10V或者0V~5V、0V~10V，电流范围为4~20mA或0~20mA。对DAC的稳定时间要求，从10ms一直到100ms，具体则取决于应用的实际要求。模拟输入范围广泛，由电桥传感器输出的±10mV微弱电压信号;也有电机控制器±10V的电压信号，或者工业过程控制系统的4~20mA电流。转换时间则取决于所要求的精度和所选用的ADC架构，从10SPS到几百KSPS。

　　数字隔离器、光耦隔离器或者电磁隔离器用来将系统现场的ADC、DAC和信号调理电路与数字端的控制器隔离开来。如果模拟端的系统也必须实现充分隔离的话，在输入或者输出的每个通道必须采用转换器以便最大限度提高通道间的隔离度-电源的隔离也是必需的。

　　iCMOS 工艺

　　iCMOS技术是一种新型的高性能制造工艺，它将高压的集成电路与亚微米级CMOS和互补双极型工艺融为一体，在PLC设计的输入、输出部分所使用。

　　iCMOS技术使得单芯片的设计能够融合5V CMOS并实现其与电压更高的(16、24或者30V)CMOS电路的匹配--于是同一块芯片将拥有多路不同电压的电源。由于能够如此灵活地将各种元件和工作电压集成到一起，亚微米的iCMOS 器件具有更高的性能，其集成的功能更多，而功耗更低--而且所需要的电路板面积大大小于前几代高压产品。其中的双极型工艺为ADC、DAC和低失调放大器提供了精确的基准源，出色的匹配特性和高度的稳定性。

　　薄膜电阻具有高达12位的初始匹配特性，经过修调后可以实现16位的匹配，温度和电压系数与传统的多晶硅的电阻相比，改善了20倍，是高准确度、高精度的数模转换器的理想选择。片上的薄膜熔断器使得高精度转换器的积分非线性、偏置和增益等性能可以用数字化的技术来校准。

　　PLC 输出模块

　　PLC系统的模拟输出--通常用于控制工业环境中的执行器、阀和电机--使用了标准的模拟输出范围，如±5、±10V、0V～5V、0V～10V、4～20mA或者0～20mA。模拟输出的信号链常常包括了数字隔离--将控制器的数字输出与DAC和模拟信号调理部分隔离开来。在数字化隔离的系统中所使用的转换器主要使用3线或者4线串行接口来最大限度减小所要求的数字隔离器或者光耦隔离器的数量。

　　PLC系统的模拟输出模块通常采用两种架构：每个通道一个DAC的架构和每个通道一个采样保持器的架构。第一种架构中，每个通道使用一个专用的DAC来产生模拟控制电压或者电流。现在有许多多通道DAC可供选择，在空间占用上更少，通道单位成本更低，但那些需要通道相互隔离的往往采用了单通道DAC架构。图2是每通道使用一个DAC的典型配置。这种最简单DAC是低压单电源型的，采用2.5V~5.5V电源供电，输出范围是0~VREF，输出信号经过调理后可以产生所需的任意电压或者电流范围。双极性输出转换器采用双电源供电，可以用于必须输出双极性电压范围的输出模块。

图2 每通道一个DAC的架构

　　四路D/A转换器是非隔离型的多通道输出设计的理想选择，通过外接信号调理电路的方法可以实现多达4路的不同的输出配置。例如，图3示出了16bit 4路电压输出型DACAD5664R是如何提供0～5V的输出范围的--它也可以通过不同的连接方式提供各种标准所需的输出电压范围，或者通过外接的四运放构成灌电流输出。在配制成双极性输出时，其内部基准源的对外输出可以提供必要的跟踪偏置电压。

图3 利用多通道D/A变换器实现±5V、±10V、0V~10V、0V~5V等电压和电流沉输出

图4示出了隔离4~20mA电流环控制电路