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簡化用于過程控制的模擬輸入模塊的設計

2019-05-29
Cathal Casey,ADI公司應用工程師

簡介

為可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(DCS)模塊等過程控制應用設計模擬輸入模塊時,主要權衡因素通常是性價比。傳統上,此應用領域使用雙極性±15 V電源軌來提供有源前端組件,用于輸入信號的衰減或增益。這會影響物料清單(BOM)的成本,而創建隔離雙極電源會增加設計的復雜性。為了節省成本,另一種方法是使用單個5 V電源設計架構。單個5 V電源軌顯著降低了模擬前端隔離電源設計的復雜性。但它會引入其他痛點,可能降低測量解決方案的精度。 AD4111進行了電壓和電流測量所需的大量整合工作,并解決了5 V電源解決方案的局限性。

集成前端

AD4111是一款24位Σ-Δ型ADC,通過實現創新而簡單的信號鏈,縮短了開發時間,降低了設計成本。它利用ADI的專有iPassives?技術,將模擬前端和ADC融合在一起。這使得AD4111能夠接受±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入,同時無需外部組件即可在單個5 V或3.3 V電源下工作。電壓輸入指定為±20 V的超量程,在此范圍內,該器件仍可在電壓引腳上提供有效轉換和±50 V的絕對最大規格。電流輸入指定為-0.5 mA至24 mA的范圍,可實現接近0 mA的準確電流測量,提供精確的24 mA轉換。AD4111的電壓輸入保證最小阻抗為1MΩ。這樣可以去除±15 V外部緩沖器,進一步節省電路板空間和BOM成本。5 V設計要求每個電壓輸入必須有一個高阻抗分壓器,這會占用電路板空間。離散解決方案的設計需要權衡精密電阻的成本與精度。為了解決這個問題,AD4111在每個輸入端采用了一個高阻抗精密分壓器,如圖3所示。

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圖1.AD4111功能框圖。

開路檢測

通常,單個5 V設計的限制是缺少開路檢測,一般是對15 V電源軌使用高阻抗電阻,將開路連接拉至超出范圍的電壓。AD4111采用5 V或3.3 V電源提供獨特開路檢測功能,克服了這一問題。此方法將開路檢測與超出范圍的故障分開,進一步簡化了診斷。通過在AD4111內部包含此功能,前端無需上拉電阻,因此也無需15 V電源,如圖2所示。消除±15 V電源減少了隔離電路的復雜性、面積和輻射。對于不需要開路檢測的應用,可以使用另一種通用的AD4112。該器件具有AD4111的所有優點,但沒有開路檢測。

系統級解決方案

AD4111集成了基準電壓和內部時鐘,有助于進一步減小電路板尺寸并降低BOM成本,同時允許使用外部組件,應付需要更高精度和更低溫度誤差轉換的情況。圖2和圖3分別顯示了典型的高端和低端解決方案。圖2和圖3中突出顯示了可完全被AD4111取代的信號鏈的比例。AD4111的總不可調整誤差(TUE)精度規范旨在達到系統級要求。對于許多解決方案,精度可能足以省略任何額外校準。在現有的高精度解決方案中,通常按通道對模塊進行校準。AD4111采用高匹配輸入設計,因此校準一個輸入便可所有輸入上提供類似的精度。

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圖2.典型高端解決方案。

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圖3.典型低端解決方案。

EMC測試

PLC和DCS模塊通常在惡劣的工業環境中運行,并且必須承受電磁干擾(EMI)的情況。在設計具有電磁兼容性(EMC)功能的輸入模塊時,這會增加復雜性,因為大多數設備的額定值不適用于EMC,因此設計輸入保護和濾波電路就變得復雜起來。這可能顯著增加設計和測試開發時間。EMC實驗室租金昂貴,測試失敗可能意味著長時間延遲,直到電路板可以重新設計和重新測試。AD4111已經被設計成了一個印刷電路板(PCB),演示了一個經過驗證的EMC解決方案。該電路板的特點是確保電路性能不會受到輻射射頻(RF)或傳導RF干擾的永久影響,并且已被證明具有足夠的抗靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌的能力,符合IEC 61000-4-x標準集。該電路板還針對CISPR 11進行了評估,其輻射發射水平遠低于A類限值。有關AD4111 EMC PCB的更多信息,請參閱AN-1572。本應用筆記詳細介紹了所用測試程序的所有必要信息,以及為AD4111設計EMC認證輸入模塊的電路板設計原理圖和布局。

結論

AD4111是一款高度集成的系統級ADC,具有全面的可配置性。它能夠接受±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入,采用5 V或3.3 V單電源供電,具有開路檢測功能和許多其他功能,為模擬輸入模塊設計提供獨特的解決方案。它采用6 mm × 6 mm、40引腳LFCSP封裝,之前需要完整復雜PCB的模塊現在可由單個器件替代。

作者簡介

Cathal Casey是愛爾蘭科克ADI公司精密轉換器技術小組的應用工程師,主要關注用于直流測量的精密Σ-Δ型ADC。他從科克大學畢業后,于2016年加入ADI公司。他擁有電氣電子工程學士學位。聯系方式:[email protected]


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