工業(yè)的普遍發(fā)展趨勢(shì)，尤其是對(duì)工業(yè)制造更高的效率、更佳的魯棒性、更高的通道密度、更快的監(jiān)控和控制速度的要求，進(jìn)一步促進(jìn)了半導(dǎo)體新技術(shù)的發(fā)展。以保證生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱為過程控制系統(tǒng)，正通過精益項(xiàng)目執(zhí)行原理、軟件和網(wǎng)絡(luò)對(duì)此做出響應(yīng)，使控制應(yīng)用程序與物理設(shè)備分離，控制器與物理輸入/輸出(I/O)分離，使工作生產(chǎn)的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少，加速自動(dòng)化和數(shù)字化進(jìn)程。
ADI公司的工業(yè)解決方案在業(yè)界有非常廣泛的應(yīng)用，其過程控制解決方案可幫助設(shè)計(jì)工程師開發(fā)安全、高度集成的自動(dòng)化控制器和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，具有高能效特性，采用安全的工業(yè)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接。本文以三個(gè)不同場(chǎng)景的ADI過程控制參考設(shè)計(jì)為例，闡述ADI如何利用豐富的模擬技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，滿足最終用戶對(duì)于更快速響應(yīng)、更靈活、更精益制造的要求。
兼容HART協(xié)議的 PLC/DCS四通道電壓和電流輸入
HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議)協(xié)議允許在傳統(tǒng)的模擬4mA至20mA電流環(huán)路內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向1.2kHz/2.2kHz FSK (頻移鍵控)調(diào)制數(shù)字通信，這樣可實(shí)現(xiàn)傳感器/執(zhí)行器的查詢，并且能夠在設(shè)備安裝、監(jiān)控和維護(hù)過程中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。通過使用便攜式輔助器件查詢傳感器，HART可為維護(hù)人員提供眾多便利，但要完全實(shí)現(xiàn)HART帶來的所有好處，必須將傳感器/執(zhí)行器連接至帶支持HART的電流輸入或輸出的控制系統(tǒng)。
下圖所示電路提供了一個(gè)完整的全隔離、高靈活性的四通道模擬輸入系統(tǒng)，適用于需要多電壓輸入、HART兼容、4mA至20mA電流輸入等要求的可編程邏輯控制器和分布式控制系統(tǒng)。此模擬輸入電路是為分組隔離的工業(yè)模擬輸入而設(shè)計(jì)，可支持的電壓和電流輸入范圍包括±5V、±10V、0V至+5V、0V至+10V、+4mA至20mA和0mA至+20mA。該電路由標(biāo)準(zhǔn)的24V總線供電，并產(chǎn)生一個(gè)隔離的5V系統(tǒng)供電電壓。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由24位Σ-Δ模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)AD7173-8來完成。AD7173-8可由軟件配置，允許8路全差分或16路單端輸入通道，通過內(nèi)置交叉多路復(fù)用器提供極大的靈活性。AD7173-8采用小型6 mm × 6 mm LFCSP封裝，是空間尺寸受限場(chǎng)合下的一個(gè)理想選擇。內(nèi)部時(shí)鐘和精密2.5 V電壓基準(zhǔn)減少了外部組件，進(jìn)一步節(jié)省了空間。四個(gè)可編程通用輸出引腳(GPIO0，GPIO1，GPO2，GPO3)允許控制外部多路復(fù)用器，因此可以控制切換多路HART接口，從而減少?gòu)奶幚砥?控制器的額外連線。
具有0.5°C精度的隔離式4通道熱電偶/RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)
熱電偶和RTD(電阻溫度檢測(cè)器)是最常用的傳感器，用于工業(yè)應(yīng)用中的溫度測(cè)量。熱電偶可測(cè)量極高的溫度，最高可達(dá)+2300°C左右，并且響應(yīng)時(shí)間快，可以瞬間完成測(cè)量。RTD比熱電偶具有更高的精度和穩(wěn)定性，且連接遠(yuǎn)端RTD的數(shù)百米長(zhǎng)導(dǎo)線電阻可采用三線式或四線式連接加以補(bǔ)償。因此，對(duì)于溫度測(cè)量系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而言，高性能以及針對(duì)高壓瞬變事件和直流過壓條件提供保護(hù)都是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。
下圖所示電路設(shè)計(jì)是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的精密溫度測(cè)量應(yīng)用，針對(duì)靈活性、性能、穩(wěn)定性和成本進(jìn)行了優(yōu)化。通過采用低噪聲、24位∑-△型ADC AD7193，確保整個(gè)電路具有高分辨率和線性度。
AD7193是一款適合高精密測(cè)量應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端，它集成一個(gè)低噪聲、24位∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該ADC具有高分辨率、低非線性度和低噪聲性能，以及極高的50 Hz/60 Hz抑制能力。數(shù)據(jù)輸出速率可在4.7Hz(24位有效分辨率，Gain=1)到4.8kHz(18.6位有效分辨率，Gain=1)范圍內(nèi)變化。片上低噪聲PGA可將來自熱電偶或RTD的差分小信號(hào)以增益1至128放大，從而允許實(shí)現(xiàn)直接接口。增益級(jí)緩沖器具有高輸入阻抗，并將輸入漏電流限制為±3nA(最大值)。AD7193的增益必須根據(jù)溫度范圍和傳感器類型進(jìn)行適當(dāng)配置。片內(nèi)多路復(fù)用器允許四個(gè)差分輸入通道共享同一個(gè)ADC內(nèi)核，節(jié)省空間與成本。
適合PLC/DCS應(yīng)用的通道間隔離溫度輸入
通道間隔離在自動(dòng)化系統(tǒng)中極具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘囟ㄝ斎胪ǖ赖墓收喜粫?huì)影響系統(tǒng)中的其它通道。然而，通道間隔離輸入模塊給設(shè)計(jì)提出了重大挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在復(fù)雜度、空間限制和系統(tǒng)成本這些方面。熱電偶或RTD輸入是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的常用輸入，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠處理兩者的溫度輸入模塊很有用。這種靈活性最大程度地減少了兩種輸入模塊的設(shè)計(jì)工作，而且為模塊用戶提供了靈活性。
下圖所示電路提供一個(gè)雙通道、通道間隔離的熱電偶或RTD輸入，適用于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)。該高集成度設(shè)計(jì)采用低功耗、24位、Σ- 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，帶有豐富的模擬和數(shù)字特性，無需額外的信號(hào)調(diào)理IC。每個(gè)通道可接受熱電偶或RTD輸入。整個(gè)電路采用標(biāo)準(zhǔn)24 V總線電源供電。各通道的大小僅有27 mm × 50 mm。
AD7124-4 24位Σ-型ADC集成可編程增益陣列和基準(zhǔn)電壓源，為靈活地連接熱電偶或RTD傳感器提供完整的特性組合，其特性包括片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源、可編程增益陣列、激勵(lì)電流、偏置電壓發(fā)生器以及提供增強(qiáng)50Hz和60Hz抑制選項(xiàng)的靈活濾波。AD7124-4采用5mm×5mm小型LFCSP封裝，因而非常適合空間為重要考慮因素的通道間隔離設(shè)計(jì)，它還包括多個(gè)可供用戶使用的診斷功能，顯著降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提供一個(gè)片上系統(tǒng)，能夠執(zhí)行熱電偶和RTD傳感器所需的全部測(cè)量功能。
（轉(zhuǎn)載）
