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放大/轉換  

為PLC設計精準訊號處理的資料轉換IC

上網時間: 2006年11月09日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PLC  ADC  DAC  可程式邏輯控制器  isoPower 

PLC(可程式邏輯控制器)相當於是由一台輕巧型電腦所構成,能透過數位或類比輸入/輸出模組控制機器設備、製造處理流程、及其它控制模組的電子系統。PLC可接收(輸入)及發送(輸出)多種型態的電氣或電子訊號,並使用他們來控制或監督幾乎所有種類的機械與電氣系統。PLC一般是以其提供的I/O功能的數量來分類,舉例來說,nano PLC使用了少於32個I/O,而micro PLC則有介於32到128個之間的I/O,small PLC的I/O數量為128到256之間,依此類推。圖1為典型的PLC系統。


圖1:PLC系統架構,顯示出各種I/O模組功能

PLC系統包含了輸入模組、輸出模組和輸入/輸出模組。由於許多的這些輸入與輸出會牽涉到實際環境中的類比變因,而控制器卻偏又是數位系統,因此PLC的系統硬體設計任務集中在DACADC的需求、輸入及輸出訊號的調節、和輸入與輸出模組電氣接線與控制器及模組本身之間的隔離。

一般來說,I/O模組的解析度範圍在12到16位元之間,而工業標準溫度範圍內的準確度為0.1%。類比輸出電壓及電流的種類包括了±5V、±10V、或是0V到5V、0V到10V、4到20mA或是0到20mA。DAC所需的穩定時間範圍從10μs到100ms,視應用產品而定。至於類比輸入的範圍,來自橋式傳感器(bridge transducer)的電壓最小可達±10mV、來自制動器(actuator)控制器的電壓最大可達±10V、而來自工業製程控制系統的電流則在4到20mA之譜。另外,視所需的準確度及ADC架構的選擇,轉換時間可能在10取樣/秒到數十萬取樣/秒的範圍內。

包括光耦合器或電磁隔離器在內的數位隔離器,是用於系統中的現場(field)端與數位端之間,藉以將ADC、DAC、訊號調節電路與控制器加以隔離。如果在類比端上的系統也必須完全被隔離,就必須在輸入及輸出的每一個通道上設置轉換器,以便將通道間的隔離效果提昇到最大,此外也需要隔離的電源,這部份可使用變壓器或是ADI的isoPower技術。

iCMOS製程

對許多使用在PLC設計中輸入及輸出段的類比元件產品來說,採用iCMOS製程帶能帶來很大的好處,這是一種結合了高電壓矽(high-voltage silicon)及次微米CMOS與互補式雙極性(complementary bipolar)技術的新生產技術。

該製程能在單一晶片設計中將5V CMOS電路與高電壓16、24、或30V的CMOS電路混合並匹配,讓多組電源能同時供應到同一晶片上。透過結合元件與動作電壓的此一彈性,次微米iCMOS元件得以提供更好的性能、整合度更高的特性組合、以及較低耗電的特性。與前一代高壓製程相比,所需的電路板尺寸也明顯的縮小。雙極性技術能夠為ADC、DAC、與低偏移(low-offset)放大器提供準確的參考位準、優良的匹配、以及高穩定性。

薄膜電阻具有12位元的初始匹配(initial matching)、16位元的修齊匹配(trimmed matching)、以及比傳統多晶矽電阻高出20倍以上的溫度與電壓係數,相當適合高精確與高準確度DAC所使用。晶片上薄膜保險絲則讓高精確度轉換器上的整數非線性度、偏移、及增益等校正動作得以利用數位技術來實現。

PLC輸出模組

在工業環境中用來控制制動器、氣閥及馬達等的PLC系統類比輸出範圍包括±5V、±10V、0V到5V、0V到10V、4到20mA、或0到20mA等。類比輸出訊號鏈通常包含了用來將控制器數位輸出與DAC加以隔離的數位隔離,以及類比訊號調節。被數位隔離處理的系統中的轉換器,主要是使用3線或4線串列介面來將所需的數位隔離器及光耦合器的總數量降到最低。

PLC系統類比輸出模組中常用的架構有兩種:DAC/通道和取樣並維持(sample-hold)/通道。前者針對每一個通道使用一專屬的DAC以產生其類比控制電壓及電流,現有多種的多組DAC能在很低的‘每通道’成本下提供空間的節省,但對於需要通道間隔離的通道則通常是使用單通道的DAC。圖2為典型‘DAC/通道’的架構。最簡單的DAC為低電壓單電源的型態,其動作電壓範圍為2.5V到5.5V,輸出範圍則是0V到VREF,它們的輸出訊號可以經過調節而產生出任何所需的電壓或電流範圍。對於必須供應雙極輸出電壓範圍的輸出模組而言,則可採用需要雙電源的雙極輸出轉換器。


圖2:‘DAC每通道’的架構

ADI已經為PLC輸出模組提供一些16位元多通道D/A轉換器,這些元件能提供雙極或單極輸出範圍,穩定時間僅需10us。這些系列產品的其它12位元或14位元解析度成員,與16位元的版本為接腳相容,方便在不須硬體修改及只須最小幅度軟體更動的條件下,從12位元直接升級到16位元。這些元件大多有內建的參考位準,因此為完全整合型的輸出解決方案。

對於可以利用外部訊號調節電路完成高達4種不同輸出配置的非隔離式多通道輸出設計而言,四組式D/A轉換器是相當理想的解決方案。舉例來說,圖3中的16位元四組電壓輸出DAC AD5664R3,可透過一外部四組式運算放大器,提供其本有的0V到5V輸出範圍、或被接成各種標準的輸出電壓範圍或流入電流輸出。


圖3:使用多通道D/A轉換器來設計±5V、±10V、0V到5V、0V到10V及電流流入輸出

在雙極輸出配置中,其內部參考位準的外部輸出提供必要的追蹤偏移電壓。AD5664R能工作於單5-V供電下、內含一內部2.5V,5ppm/℃參考位準、且封裝於小巧的3mmx3mm LFCSP中。

圖4為一被隔離的4對20mA電流迴路控制電路中的單通道轉換器,其中使用的AD56624為SOT-23封裝,對於必須完全將類比輸出通道相互隔離的應用而言是很理想的解決方案。


圖4:4到20mA電流控制電路

AD5662的最大輸出電壓振幅為5V,由ADR025供應電壓參考位準,其精準的整流電源來自可變迴路電壓。5V DAC輸出振幅經由一運算放大器與電晶體組成的電路,轉換為4到20mA的電流輸出。

由於運算放大器(N1)的非反向輸入為虛接地(virtual ground),運算放大器對IS進行整流以維持Rs及R3上相同的壓降,因此:


N2上的電流整合提供了迴路電流:


將N1上的電流相加:



迴路電流的4mA偏移成份是由參考位準提供:


迴路電流中可程式化的0到16mA成份是由DAC所提供:


每通道取樣保持

另一種配置方式是利用開關電容及緩衝器做為取樣保持放大器(SHA),從單一高性能DAC將選取的輸出取樣儲存起來,如圖5所示。


圖5:單DAC架構

此取樣透過一類比多工器在各個電容器間進行交換,由於系統的‘保持’準確度是由電容器的滾降率(droop rate)所決定,因此必須頻繁的更新通道以維持所欲達到的準確度。依輸出的需要,DAC可以是一低電壓單電源轉換器或是一雙極輸出轉換器。可提供訊號調節功能的緩衝器,能對電容提供高輸入阻抗,並提供低輸出阻抗為以驅動輸出負載。

開關與多工器

對於取樣保持及其它資料收集應用而言,由於需要具有低瞬間彈跳雜訊(glitch)及低充電注入的低電容值開關電路,因此利用iCMOS所設計出的ADG12xx/ADG13xx系列±15V開關與多工器會相當適用。

對於其它需要非常低電阻的應用來說,ADG1408及ADG1409這類±15V的多工器能在全訊號範圍內提供9Ω的最大阻抗。除了具備低RON外,它們極佳的導通電阻平坦性及電壓位準非常適合需要低失真的應用,以提供可靠、可預測的電路性能。

電源與數位訊號的流電隔離

在PLC、流程控制、資料收集、及控制系統中,各類的感測器會將數位訊號傳送到中央控制器以進行處理及分析。為了在使用者介面上維持安全的電壓,並防止瞬變從源頭傳送出來,就需要用到流電(galvanic)隔離器。最常用的隔離器包括光耦合器、變壓器式隔離器、以及電容耦合式隔離器。

光耦合器內部包含負責將電氣訊號轉換為相對亮度的LED、以及負責將光線還原為電氣訊號的光感測器。整體來說,它們的LED為低轉換效率、而光感測器為低反應速率;另外,光耦合器一般會有壽命上的限制,且隨溫度、速度、及功耗的變化會有極大的性能漂移。這類產品通常只限於一個或兩個通道的配置,且需要用到外部元件來組成完整的功能。

ADI已設計出一種新的隔離技術,該技術結合了晶片尺寸的變壓器及整合式CMOS輸入與輸出技術。利用這種名為iCoupler的技術所開發出的產品相當容易使用,同時又具有比光耦合器體積小、成本低廉及低耗電等特點。除了提供了多種的通道配置及性能等級的選擇,並具備了標準CMOS的介面之外,iCoupler不需要外部元件,且可在溫度、供應電壓、及壽命條件上提供很高的性能表現與穩定性。圖6為具有介面與耦合變壓器的典型iCoupler隔離IC ADuM24006。


圖6:ADuM2400四組式隔離器的結構圖

與一般使用中的高速耦合器相比,iCoupler具有兩倍到四倍的資料速率及時間特性規格,而耗用的電力卻只有光耦合器的1/50之譜,發熱程度也相對較小,可靠度更高,而成本更低廉。

在完全隔離的系統中,要從系統端提供隔離電力到現場是一另項挑戰,而ADI也已有所對應的解決方案。傳統技術在透過隔離屏障(isolation barrier)來傳送電力時,通常是使用分離式、體積龐大且昂貴的DC/DC轉換器,或是設計及介面處理都很困難的分離式元件。較新較好且目前已可用來提供高達50mW電力供應的作法,是使用一完整且完全整合型的隔離解決方案,透過微型變壓器讓訊號與電力通過隔離屏障。ADuM524x isoPower系列產品能在單一的元件中,為訊號或電力提供5kV的隔離能力,省去了分離式隔離電源供應,並明顯降低整體隔離系統成本、電路板面積、及設計時間。

PLC輸入模組

PLC系統的架構和輸入模組產品的選擇端視需要被監測的輸入訊號位準而定。

來自不同類型被監測的感測器與流程控制之變量訊號,可以涵蓋從±10mV至±10V的輸入訊號範圍。

各式各樣的A/D轉換器型式可被用在工業和PLC應用上,包括逐次比較型(SAR),快閃/並聯型,積分(包括sigma-delta)型,和斜坡/計數型。針對特殊應用來選擇ADC主要取決於輸入傳感器的輸入訊號範圍;以及所需的準確性、訊號-頻率內容、最大訊號位準以及動態範圍。被用得最廣的架構是逐次比較型和sigma-delta型。

逐次比較類比數位轉換器提供從12位元到18位元的解析度和高傳輸率;它們非常適合用於多通道多工式應用,這些應用有許多輸入通道需要在合理的高取樣率下被監測。


圖7:具有內建DC-to-DC轉換器的雙通道隔離器ADuM52427的結構圖(0/2通道指向性)

Sigma-delta架構提供從16位元到24位元的解析度。它們運用高取樣率和數位濾波功能,達到它們的高解析度與準確性,但比起由SAR類型達到的傳輸率是較低的。Sigma-delta架構通常在前端包含可編程增益放大器(PGA);在每通道轉換器的應用上,此架構允許直接介面,不需要在感測器與ADC之間做訊號調節。

當從熱耦合器、應變計和橋式壓力感測器上進行量測時,有一個重要的需求就是要具有差動量測的能力以抑制共模干擾並在現場雜訊有在下提供更加穩定的讀數。在工業應用上,舉例來說,差動輸入是用來取消包括來自馬達、交流電源線的共模雜訊或干擾,以及將雜訊引入A/D轉換器的類比輸入雜訊源。

成本較低的單端輸入,由於它們每個通道只需要一個類比輸入,並且都與相同的接地點相關連,因此輸入接腳數目相同可提供兩倍的輸入通道。它們主要用於高訊號位準,低雜訊,和穩定的共同接地的應用上。

圖8表示可在被包括在一個以分離式來實現隔離型PLC輸入模組的許多要素,包括激勵與輸入訊號調節、處理一些輸入訊號的錯誤保護多工器,可編程增益放大器和A/D轉換器等。這些功能有許多是以前用分離式IC和被動元件的組合,但現在已經完全被整合到A/D轉換器和類比前端IC中。


圖8:包含在典型分離式PLC輸入模組中的功能圖

在許多應用中,這些ADC可以直接與感測器介面相連接,包括PLC、溫度量測、磅秤、壓力和流量量測,以及通用型量測設備。它們的更新率從4Hz到500Hz是可編程的,且它們在選定的更新率下提供50Hz和60Hz的同步抑制。

本文小結

PLC工業系統的設計人員在降低預算與縮小電路板的同時,持續要求更高的性能與功能。為了提供能夠符合此訊號鍊中所有重要關鍵點嚴格需求的IC產品,ADI開發出了以下的重要新生產製程。iCMOS製程技術結合了高電壓矽與次微米CMOS以及互補雙極性技術,來實現能夠具備30V工作電壓能力(以符合許多工業應用)、體績更小、性能更高、價格卻更便宜的類比IC。

iCoupler隔離技術揚棄LED及光二極體,進而改利用晶片尺寸規模(chip scale)變壓器,可整合於CMOS半導體電路中以提供成本低廉的隔離。iPolar溝渠(trench)隔離製程能承受高達±18V的供應電壓,相對於傳統的雙極性放大器,可提供明顯的性能改善,並將功耗降低一半,而封裝尺寸也縮小75%的程度。

作者:Albert O’Grady

ADI公司

albert.ogrady@analog.com




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