作者：Colm Slattery, Derrick Hartmann, and Li Ke

工業過程控制系統的應用多種多樣，從簡單的交通控制到復雜的電網，從環境控制系統到煉油廠過程控制。這些自動化系統的智能在于其測量和控制單元。用于控制機器和過程的兩種最常見的基于計算機的系統，處理各種模擬和數字輸入和輸出，是可編程邏輯控制器1（PLC） 和分布式控制系統2（DCS）。這些系統包括電源、中央處理器單元 （CPU） 以及各種模擬輸入、模擬輸出、數字輸入和數字輸出模塊。

標準通信協議已經存在多年;模擬變量的范圍以4 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V和±10 V為主。關于下一代系統的無線解決方案已經有很多討論，但設計人員仍然聲稱4 mA至20 mA通信和控制環路將繼續使用多年。下一代這些系統的標準將包括更高的性能、更小的尺寸、更好的系統診斷、更高水平的保護和更低的成本——所有這些因素都將幫助制造商將他們的設備與競爭對手的設備區分開來。

我們將討論過程控制系統及其包含的模擬輸入/輸出模塊的關鍵性能要求，并將介紹一個工業過程控制評估系統，該系統使用最新的集成電路技術集成了這些構建模塊。我們 還 研究 了 設計 一個 能夠 承受 工業 環境 中 的 電氣 快速 瞬 變 （EFT）、 靜電 放電 （ESD） 和 電壓 浪涌 的 強大 系統 所 的 挑戰， 并 提供 測試 數據 來 驗證 設計 的 魯棒 性。

PLC 概述及應用示例

圖1顯示了一個基本的過程控制系統構建模塊。過程變量，如流速或氣體濃度，通過輸入模塊進行監控。信息由中央控制單元處理;輸出模塊采取一些操作，例如驅動執行器。

圖1.典型的頂級PLC系統。

圖2顯示了這種類型的典型工業子系統。在這里，CO2氣體傳感器確定保護區內積聚的氣體濃度，并將信息傳輸到中央控制點。控制單元由一個模擬輸入模塊組成，用于調節來自傳感器的 4 mA 至 20 mA 信號、一個中央處理單元和一個用于控制所需系統變量的模擬輸出模塊。電流環路可以處理大容性負載——通常出現在一些工業系統中數百米長的通信路徑上。代表氣體濃度水平的傳感器元件的輸出被轉換為標準的4 mA至20 mA信號，通過電流環路傳輸。這個簡化的示例顯示了連接到單通道輸入模塊的4 mA至20 mA傳感器輸出和0 V至10 V單輸出。實際上，大多數模塊具有多個通道和可配置范圍。

輸入/輸出模塊的分辨率通常在12位至16位之間，在整個工業溫度范圍內精度為0.1%。橋式傳感器的輸入范圍可小至 ±10 mV，執行器控制器的輸入范圍可小至 ±10 V，過程控制系統的電流范圍為 4 mA 至 20 mA。模擬輸出電壓和電流范圍通常包括±5 V、±10 V、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、4 mA 至 20 mA 和 0 mA 至 20 mA。數模轉換器（DAC）的建立時間要求從10 μs到10 ms不等，具體取決于應用和電路負載。

圖2.氣體傳感器。

映射4 mA至20 mA范圍以表示正常的氣體檢測范圍;超出此范圍的電流值可用于提供故障診斷信息，如表1所示。

表 1.分配4 mA至20 mA輸出范圍之外的電流。

可編程控制器評估系統

PLC評估系統3這里描述集成了生成完整輸入/輸出設計所需的所有階段。它包含四個完全隔離的ADC通道、一個帶RS-7接口的ARM232?微處理器和四個完全隔離的DAC輸出通道。該板由直流電源供電。硬件可配置的輸入范圍包括 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、±5 V、±10 V、4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA、±20 mA 以及熱電偶和 RTD。軟件可編程輸出范圍包括 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、±5 V、±10 V、4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA 和 0 mA 至 24 mA。

圖3.模擬輸入/輸出模塊。

輸出模塊：表 2 突出顯示了 PLC 輸出模塊的一些關鍵規格。由于真正的系統精度在測量通道（ADC）內，因此控制機制（DAC）只需要足夠的分辨率來調諧輸出。對于高端系統，需要 16 位分辨率。使用標準的數模架構實際上很容易滿足這一要求。準確性并不重要;12位積分非線性（INL）通常足以滿足高端系統的需求。

0°C時05.25%的校準精度可通過過量輸出和調整以達到所需值輕松實現。當今的16位DAC，如AD5066，4在0°C時提供05.0 mV的典型失調誤差和01.25%的典型增益誤差，在許多情況下無需校準。0.15%的總精度誤差聽起來是可控的，但實際上在整個溫度范圍內指定時非常大。30 ppm/°C的輸出漂移可在整個工業溫度范圍內增加0.18%的誤差。

表 2.輸出模塊規格。

輸出模塊可以具有電流輸出、電壓輸出或組合。使用分立元件實現4 mA至20 mA環路的經典解決方案如圖4所示。AD5660 16位nanoDAC轉換器提供0 V至5 V輸出，可通過檢測電阻設置電流R。?S，因此，a 到 R1.該電流通過R鏡像2.

設置 RS= 15 kΩ， R1= 3 kΩ， R2= 50 Ω，使用 5V DAC 將產生 IR2= 最大 20 mA

圖4.分立式4 mA至20 mA方案。

這種分立式設計存在許多缺點：其高元件數量導致系統復雜性、電路板尺寸和成本顯著增加。計算總誤差很困難，多個分量會使用不同極性的系數增加不同程度的誤差。該設計不提供短路檢測/保護或任何級別的故障診斷。它不包括許多工業控制模塊所需的電壓輸出。添加這些功能中的任何一個都會增加設計復雜性和組件數量。更好的解決方案是將上述所有功能集成在單個IC上，例如低成本、高精度、5412位/5422位數模轉換器AD12/AD16。 它們提供的解決方案提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，旨在滿足工業過程控制應用的要求。

圖5.AD5422可編程電壓/電流輸出

輸出電流范圍可編程為4 mA至20 mA、0 mA至20 mA或0 mA至24 mA超量程功能。電壓輸出可通過單獨的引腳提供，以提供0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V范圍，所有范圍均提供10%的超量程。模擬輸出具有短路保護功能，這是輸出接線錯誤時的關鍵功能，例如，當用戶將輸出接地而不是負載時。AD5422還具有開路檢測功能，可監控電流輸出通道，確保輸出和負載之間沒有故障。如果發生開路，FAULT 引腳將變為活動狀態，從而提醒系統控制器。AD5750可編程電流/電壓輸出驅動器具有短路檢測和保護功能。

圖6顯示了PLC評估系統中使用的輸出模塊。早期系統通常需要500 V至1 kV的隔離，而今天通常需要>2 kV。ADuM1401數字隔離器采用耦合器?5在MCU和遠程負載之間或輸入/輸出模塊和背板之間提供必要的隔離的技術。ADuM1401的三個通道沿一個方向通信;第四個通道以相反的方向通信，提供來自轉換器的隔離數據回讀。對于較新的工業設計，ADuM3401及其數字隔離器系列的其他成員可提供增強的系統級ESD保護。

圖6.輸出模塊塊級別。

AD5422產生自己的邏輯電源（DVCC），可以直接連接到ADuM1401的現場側，無需跨越隔離柵使用邏輯電源。AD5422內置一個檢測電阻，但當需要較低的漂移時，可以使用外部電阻（R1）。由于檢測電阻控制輸出電流，因此其電阻的任何漂移都會影響輸出。內部檢測電阻的典型溫度系數為10 ppm/°C至20 ppm/°C，在0°C溫度范圍內可能會增加12.60%的誤差。在高性能系統應用中，可以使用一個外部 2ppm/°C 檢測電阻將漂移保持在 0.016% 以下。

AD5422內置一個10 ppm/°C最大基準電壓源，可在PLC評估系統的所有四個輸出通道上使能。或者，ADR445超低噪聲XFET基準電壓源具有0.04%的初始精度和3 ppm/°C，可用于兩個輸出通道，從而允許性能比較，并根據所需的總系統性能選擇內部和外部基準電壓源。?

輸入模塊：輸入模塊的設計規范與輸出模塊的設計規范相似。高分辨率和低噪聲通常很重要。在工業應用中，測量來自熱電偶、應變計和橋式壓力傳感器的低電平信號時，需要差分輸入，以抑制來自電機、交流電源線或其他噪聲源的共模干擾，這些噪聲源將噪聲注入模數轉換器（ADC）的模擬輸入。

Σ-Δ型ADC是輸入模塊最受歡迎的選擇，因為它們具有高精度和高分辨率。此外，內部可編程增益放大器（PGA）允許精確測量小輸入信號。圖7顯示了評估系統中使用的輸入模塊設計。AD7793是3通道、24位Σ-Δ型ADC，可適應4 mA至20 mA、±10 V等大范圍輸入信號，以及直接來自傳感器的小信號輸入。

圖7.輸入模塊設計。

注意使這種通用輸入設計易于適應RTD/熱電偶模塊。如圖所示，每個輸入通道提供兩個輸入接線端子。一個輸入允許直接連接到AD7793。用戶可以對內部PGA進行編程，以提供高達128的模擬增益。第二路輸入允許通過JFET輸入儀表放大器AD8220對信號進行調理。在這種情況下，輸入信號被衰減、放大和電平轉換，為ADC提供單端輸入。除了提供電平轉換功能外，AD8220還具有非常好的共模抑制性能，這在具有寬動態范圍的應用中非常重要。

低功耗、高性能AD7793功耗<500 μA，AD8220功耗<750 μA。該通道設計接受4 mA至20 mA、0 V至5 V和0 V至10 V模擬輸入。輸入模塊中的其他通道設計為雙極性操作，可接受±5 V和±10 V輸入信號。

為了測量4 mA至20 mA輸入信號，可以將低漂移精密電阻（S4）切換到電路中。在本設計中，其電阻為250 Ω，但只要產生的電壓在AD8220的輸入范圍內，就可以使用任何值。測量電壓時，S4保持打開狀態。

大多數輸入模塊設計都需要隔離。圖7顯示了如何在PLC評估系統的一個通道上實現隔離。ADuM5401 4通道數字隔離器采用等功率?6提供 2.5kV rms 信號和電源隔離的技術。除了提供四個隔離信號通道外，ADuM5401還包含一個隔離式DC-DC轉換器，該轉換器提供穩定的5 V、500 mW輸出，為輸入模塊的模擬電路供電。

完整系統：整個系統的概述如圖8所示。ADuC7027精密模擬微控制器7是主系統控制器。采用 ARM7TDMI 內核，其 32 位架構可輕松與 24 位 ADC 接口。它還支持 16 位拇指模式，如果需要，該模式允許更高的代碼密度。ADuC7027具有16 kB板載閃存，允許與高達512 kB的外部存儲器接口。ADP3339高精度、低壓差穩壓器（LDO）為微控制器提供穩壓電源。?

圖8.系統級設計。

評估板和PC之間的通信通過ADM3251E隔離式RS-232收發器提供。ADM3251E采用iso電源技術，無需單獨的隔離式DC-DC轉換器。它非常適合在電氣惡劣的環境中運行，或者RS-232電纜經常插入或拔出，因為RS-232引腳Rx和Tx具有高達±15 kV的靜電放電保護。

評估系統軟件和評估工具：評估系統非常通用。與 PC 的 通信 是 使用 LabView 實現的。8微控制器（ADuC7027）的固件用C語言編寫，用于控制進出ADC和DAC通道的低電平命令。

圖 9 顯示了主屏幕界面。左側的下拉菜單允許用戶選擇有源ADC和DAC通道。在每個ADC和DAC菜單下都有一個下拉范圍菜單，用于選擇要測量和控制的所需輸入和輸出范圍。提供以下輸入和輸出范圍：4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA、0 mA 至 24 mA、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、±5 V 和 ±10 V。

圖9.評估軟件主屏幕控制器。

ADC配置屏幕如圖10所示，用于設置ADC通道、更新速率和PGA增益;啟用或禁用激勵電流;以及其他通用ADC設置。通過將相應的DAC輸出通道連接到ADC輸入端子并調整每個范圍來校準每個ADC通道。因此，使用這種校準方法時，AD5422的失調和增益誤差決定了每個通道的失調和增益。如果這些提供的精度不足，如果需要，可以使用超高精度電流和電壓源進行校準。

圖 10.ADC 配置屏幕。

選擇ADC的輸入通道、輸入范圍和更新速率后，我們現在可以使用ADC統計屏幕（如圖11所示）顯示一些測量數據。在此屏幕上，用戶選擇要記錄的數據點數;軟件生成所選通道的直方圖，計算峰峰值和均方根噪聲，并顯示結果。在此所示的測量中，輸入通過AD8220連接到AD7793：增益= 1，更新速率= 16.7 Hz，采樣數= 512，輸入范圍= ±10 V，輸入電壓= 2.5 V。峰峰值分辨率為 18.2 位。

圖 11.ADC 統計信息屏幕。

在圖12中，輸入直接連接到AD7793，旁路AD8220。片內2.5 V基準電壓源直接連接到AD7793的AIN+和AIN–通道，為ADC提供0 V差分信號。峰峰值分辨率為 20.0 位。如果ADC條件保持不變，但2.5 V輸入通過AD8220連接，則峰峰值分辨率會降至18.9位，原因有兩個：增益較低時，AD8220會給系統帶來一些噪聲;提供輸入衰減的縮放電阻會導致ADC有一定的范圍損耗。PLC評估系統允許用戶更改縮放電阻以優化ADC的滿量程范圍，從而提高峰峰值分辨率。

圖 12.AD7793性能

電源輸入保護：PLC 評估系統使用電磁兼容性 （EMC） 的最佳實踐。穩壓直流電源（18 V至36 V）通過2線或3線接口連接到電路板。必須保護該電源免受故障和電磁干擾 （EMI） 的影響。在電路板設計中采取了以下預防措施（如圖13所示），以確保PLC評估系統能夠承受電源端口上可能產生的任何干擾。

圖 13.電源輸入保護。

壓敏電阻R1連接到電源輸入端口附近的地。在正常工作期間，R1的電阻非常高（兆歐），因此漏電流非常低（微安）。當端口上感應到電流浪涌（例如由雷電引起）時，壓阻擊穿，微小的電壓變化會產生快速的電流變化。在幾十納秒內，壓電電阻的電阻急劇下降。這種低電阻路徑允許不需要的能量浪涌返回到輸入，從而保護IC電路。輸入路徑中還連接了三個可選的壓敏電阻（R2、R3和R4），以便在PLC板使用3線配置供電時提供保護。壓敏電阻的成本通常遠低于一美元。

一個正溫度系數電阻器 PTC1 與電源輸入走線串聯。PTC1電阻在正常工作期間顯得非常低，對電路的其余部分沒有影響。當電流超過標稱值時，PTC1的溫度和電阻迅速增加。這種高電阻模式可限制電流并保護輸入電路。當電流減小到標稱限值時，電阻恢復到正常值。

Y 型電容器當PLC板使用浮動接地工作時，C2、C3和C4抑制共模傳導EMI。這些安全電容器需要低電阻和高耐壓性。設計人員必須使用具有 UL 或 CAS 認證并符合絕緣強度法規標準的 Y 電容器。

電感L1和L2濾除來自電源端口的共模傳導干擾。二極管D1保護系統免受反向電壓的影響。可以使用通用硅或肖特基二極管，指定工作電流下的低正向電壓。

模擬輸入保護：PLC板可以容納電壓和電流輸入。圖 14 顯示了輸入結構。負載電阻R5切換為電流模式。電阻R6和R7衰減輸入。電阻R8設置AD8220的增益。

圖 14.模擬輸入保護。

這些模擬輸入端口可以在外部端子連接上承受電涌或靜電放電。瞬態電壓抑制器（TVS）提供高效的保護，防止此類放電。當模擬輸入端出現高能量瞬變時，TVS在幾納秒內從高阻抗變為低阻抗。它可以吸收數千瓦的浪涌功率，并將模擬輸入鉗位到預設電壓，從而保護精密元件免受浪涌損壞。其優點包括快速響應時間、高瞬態功率吸收、低漏電流、低擊穿電壓誤差和小封裝尺寸。

儀表放大器通常用于處理模擬輸入信號。這些精密、低噪聲元件對干擾很敏感，因此流入模擬輸入的電流應限制在幾毫安以下。外部肖特基二極管通常保護儀表放大器。即使提供了內部ESD保護二極管，使用外部二極管也允許更小的限幅電阻以及更低的噪聲和失調誤差。雙串聯肖特基勢壘二極管 D4-A 和 D4-B 將過電流轉移到電源或接地。

將熱電偶（TC）或電阻溫度器件（RTD）等外部傳感器直接連接到ADC時，需要類似的保護，如圖15所示。

圖 15.模擬輸入保護。

兩個四通道TVS網絡D5-C和D5-D被置于J2輸入引腳之后，以抑制來自端口的瞬變。

C7、C8、C9、R9和R10在ADC之前形成RF衰減濾波器。濾波器具有三個功能：從輸入線路中盡可能多地消除RF能量，保持每條線路和地之間的交流信號平衡，以及在測量帶寬內保持足夠高的輸入阻抗以避免信號源加載。該濾波器的–3 dB差模和共模帶寬分別為7.9 kHz和1.6 MHz。AIN2+ 和 AIN2– 的 RTD 輸入通道以相同的方式受到保護。

模擬輸出保護：PLC評估系統可通過軟件配置為輸出各種范圍內的模擬電壓或電流。輸出由AD5422精密、低成本、全集成度、16位數模轉換器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以直接連接到外部負載，因此容易受到電壓浪涌和EFT脈沖的影響。

輸出結構如圖 16 所示。

圖 16.模擬輸出保護。

TVS （D11） 用于過濾和抑制來自端口 J5 的任何瞬變。

非導電陶瓷鐵氧體磁珠（L3）與輸出路徑串聯，以增加對高頻瞬態噪聲的隔離和去耦。在低頻（<100 kHz）下，鐵氧體是電感性的;因此，它們在低通LC濾波器中很有用。高于100 kHz時，鐵氧體變為電阻，這是高頻濾波器設計中的一個重要特性。鐵氧體磁珠提供三種功能：定位系統中的噪聲，防止外部高頻噪聲到達AD5422，以及防止內部產生的噪聲傳播到系統的其余部分。當鐵氧體飽和時，它們變得非線性并失去濾波特性。因此，鐵氧體的直流飽和電流不能超過其極限，尤其是在產生高電流時。

雙串聯肖特基勢壘二極管 D9-A 和 D9-B 將任何過電流轉移到正極或負極電源。當AD22驅動高達5422 μF的容性負載時，C1提供電壓輸出緩沖器和相位補償。

電流輸出通道上的保護電路與電壓輸出通道上的保護電路非常相似，只是用一個10 Ω電阻（R17）代替了鐵氧體磁珠。AD5422的電流輸出由外部分立NPN晶體管Q1升壓。增加外部升壓晶體管將減少片內輸出晶體管中的電流，從而降低AD5422的功耗。擊穿電壓BV首席執行官Q1 應大于 60 V。外部升壓能力適用于AD5422在極端電源電壓、負載電流和溫度范圍下使用的應用。升壓晶體管還可用于降低溫度引起的漂移量，從而最大限度地減小片內基準電壓源的漂移，并改善器件的漂移和線性度。

一個 15kΩ 精密低漂移電流設置電阻 （R15） 連接到 R設置以提高電流輸出在整個溫度范圍內的穩定性。

當AD15由外部電壓供電時，PLC演示系統可以配置為提供高于5422 V的電壓輸出。TVS 用于保護電源輸入端口。二極管 D6 和 D7 提供反向偏置保護。所有電源均由 10μF 固體鉭電解電容器和 0.1μF 陶瓷電容器去耦。

IEC測試和結果：表3中的結果顯示了測試期間DAC輸出的偏差。測試完成后，輸出恢復為原始值。這通常稱為B類，A類表示在測試期間偏差在允許的系統精度范圍內。典型的工業控制系統精度約為0.05%。

表 3.IEC測試結果。

圖 17.DAC通道直流電壓輸出。輻射抗擾度 80 MHz 至 1 GHz @ 10 V/mH。

圖 18.DAC 通道 1 直流電壓輸出。輻射抗擾度 1.4 GHz 至 2 GHz @ 3 V/mH。

典型系統配置：圖19顯示了評估系統的照片以及如何配置典型系統。輸入通道可輕松接受環路供電和非環路供電傳感器輸入，以及標準工業電流和電壓輸入。完整的設計采用ADI公司的轉換器、隔離技術、處理器和電源管理產品，使客戶能夠輕松評估整個信號鏈。

圖 19.工業控制評價體系。

審核編輯：郭婷