PLC系统模拟输入输出发展趋势及设计挑战

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作者：Siamak Bastami

PLC自20世纪70年代后期进入中国后，已然经过了三十多年的长足发展。不知正在阅读文章的各位，是否还记得您参与设计的第一款PLC电路？现如今，PLC及DCS仍然在工控领域发挥着重大作用，并且正在朝着模块更小、速度更快、通道密度更高的方向发展。

以PLC机架插槽的典型I/O卡为例，目前常见的8通道模块尺寸一般为90mm×70mm×23.5mm，但在市场需求驱动下，名片大小的产品已经问世。通道密度或数量的增加不仅能提升模块功能，而且可以增加产品价格竞争力，自然大受欢迎。但是，如何降低模块尺寸？如何在满足上述需求的同时解决由此产生的自热问题？如何进行低功耗设计？这些，也都是PLC系统设计时面对的实际问题。

ADI过程控制系列之《工业现场环路供电仪器仪表的四大关键设计环节》一文，已就现场仪器仪表/变送器的设计需求和挑战进行了深入分析，作为该篇文章的姊妹篇，本文将着重关注PLC/DCS系统中的模拟输入输出部分的发展趋势。这里会将输入和输出模块区分开来，就其不同的系统要求进行分别探讨，并着重介绍ADI能够支持这些要求的最新优势产品和解决方案。

多通道全集成模拟输出解决方案

模拟输出讲究的是集成、能效和性能。首先，模块尺寸要小。目前，设计人员早已通过在产品设计中选用0402封装电阻电容以及LFCSP封装IC，达到减少电路板尺寸的目的。与此同时，每个模块的功耗也由曾经的5W-10W，发展到了如今的3W-5W，未来势必降至更低。在这方面，一些设计人员通过牺牲设计规格来满足功耗预算，此法虽然能达到降低功耗的目的，但势必也会导致产品竞争力下降，因此并不推荐。

其次，通道密度要增加，由原来的4通道、8通道增加至现在的12甚至16通道。众所周知，空间不变而通道密度增加，会显著提升模块的环境温度，在某些情况下，高达100摄氏度的系统环境温度并不罕见，而这本身却会对最高IC结温造成挑战。而且，通道密度的增加还意味着元件数量以及功耗的增加，这也从另一方面要求设计人员在选择元件时，要尺寸更小、静态电流更低而且效率更高。

第三，速度，即建立时间要提高，从而实现工厂自动化。目前，模拟输出通道建立的时间已经降低至20μs，但依然在向更高效率发展。

第四，工艺安全要求也要提高，系统要引入安全完整性等级(SIL)来提高诊断性以及稳定性。

ADI多年来深耕工业控制领域，其提供的模拟输出解决方案从最初的“四通道DAC+外部增益放大器”式全分立方案，发展到“四通道DAC＋四个外部驱动器”式半集成方案，再到后来的单通道全集成式解决方案，以及最新的多通道全集成式解决方案，其中涉及AD566x、AD5750、AD5422等多款工程师耳熟能详的芯片产品。



图1：工业输出的创新发展历程

图1所示为ADI工业输出产品的创新发展历程。以现在的眼光来看，早期的分立设计方案毫无疑问存在很多缺陷：器件数量过多造成系统复杂、电路板尺寸过大以及成本过高；多个器件导致误差度随着不同极性系数变化，从而造成总误差难以计算；无法提供短路监测/保护或任何故障诊断；不包括许多工业控制模块中所必须的电压输出等。

正因如此，集成式解决方案毫无疑问更胜一筹。例如AD5422/AD5412单通道16位/12位4mA～20mA和电压输出DAC，就是一款易于部署的解决方案，其紧凑型的封装中集成多种功能，提供完全集成的可编程电流源和可编程电压输出，Iout范围为0/4mA～20 mA以及0 mA～24 mA；Vout范围为0 V～5 V、0 V～10 V、±5 V、±10 V和10%超量程，可以有效简化工厂过程控制和工业系统设计。

AD5755则是一款四通道16位4 mA～20 mA和电压输出DAC，除了将AD5422的单通道增加到四通道外，该产品还增加了动态功率控制功能，这也是业内首款具备动态功率控制功能的数据转换器。新功能不但有利于节能，而且还可以增强过程控制I/O系统的工作稳定性。



图2：(左)系统输出的常见架构图 ，(右)带动态功率控制的系统输出

图2(左)为系统输出最常见的架构。假设通道配置为4mA～20mA通信，DAC需要驱动一个执行器负载，所以执行器的端接电阻决定环路所需的最大电源电压。如今的系统必须能够驱动最高达(有时甚至超过)1 kΩ的负载，这是很常见的要求。对于这一负载阻抗和20 mA 的满量程电流，电源需要提供至少20V电压。如果考虑到DAC的电源裕量，电源可能升至24V。再考虑到输出级的功率调节，输出级电压较好的估计值为28V。

短路有可能是真实存在的条件，这主要是由于ADC模块可通过低至20欧的电阻值端接，以便检测。因此这样一来，8通道模块仅模拟部分的功耗就可能高于4W，再加上DC-DC级的功耗，如果以80%的效率来计算的话，仅模拟部分的功耗就将大于6W。这种情况下，自热效应和功耗预算的提高开始成为问题。模块内的温度升高可能导致系统误差增大，各个器件的漂移特性需要纳入系统整体的误差预算中加以考虑。

一种有助于解决此问题的方法是从5V电源入手，在内部使用开关电源，根据输出负载情况智能且自动地对MOS管上端的电压进行调节，这就是ADI专有的动态功率控制解决方案。该方案可以检测输出负载，然后在负载变化或编程电流变化时，根据需要动态地升高输出顺从电压，如图2(右)所示，只需在片内集成DC-DC升压转换器即可。

采用5V标称电源运行DC-DC转换器时，输出端的最低调节电压约为7V，而最高电源电压可超过30V，具体取决于需求。注意，这种情况下，需要再次考虑零负载条件，这是电流输出的一种有效条件。图2(右)的实际结果表明，在部署动态功率控制时，每加入一个DC-DC可让每个通道的独立功耗降至最低。在8个通道发生短路的情况，DC-DC将输出调节为7.5 V，从而限制了片内功耗和模块功耗。假设DC-DC隔离级效率仍为80%，使用动态功率控制的8通道模块总功耗则降至3W。

图3很清楚地表明了DC-DC控制启用前和启用后片内温度的对比。其中粉色为不启用DC-DC控制的情形，温升超过200度；蓝色为启用后的情形，温升只有五六十度。事实证明，通过使用动态功率控制功能，设计人员不仅可以确保器件自我保护，而且可以将模块内的功耗降至较低水平。



图3：其中DC-DC调节功能后，片内芯片温度大幅降低

那么，加入片内DC-DC将会产生多少纹波？特别是考虑到后置调节阶段不使用LDO时，这样做对系统性能有何影响？事实上，AD5755电路设计时用到了DC-DC抑制元件，出于完整性考虑，还添加了可选低通RC滤波器，充当一阶抗混叠滤波器。实验证明，纹波幅度与建立时间和输出电容之间存在权衡关系。因此，系统设计人员在使用该产品时，必须首先确定系统可以容许的纹波大小情况。

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。