作者：Estibaliz Sanz Obaldia and Junifer Frenila

隨著當(dāng)前的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)不斷朝著更短的設(shè)計(jì)周期、增強(qiáng)的系統(tǒng)功能和更便攜的終端系統(tǒng)的方向發(fā)展，必須采用新的方法來(lái)簡(jiǎn)化這些挑戰(zhàn)，而不會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性。本文 將 解決 控制 和 測(cè)量 的 一些 關(guān)鍵 系統(tǒng) 挑戰(zhàn)， 這些 挑戰(zhàn) 是 眾多 應(yīng)用 的 熱門(mén) 主題， 包括 數(shù)據(jù) 采集 系統(tǒng)、 工業(yè) 自動(dòng)化、 可 編 程 邏輯 控制器 和 電機(jī) 控制。它將探討雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）架構(gòu)的最新進(jìn)展，以及這些拓?fù)淙绾螒?yīng)對(duì)終端系統(tǒng)挑戰(zhàn)，例如在相同或更小的空間內(nèi)添加更多功能和智能。本文將探討離散和功能更完整的解決方案。最后，它將概述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)涞脑S多替代方案，這些替代方案支持更高的設(shè)計(jì)重用和系統(tǒng)模塊化靈活性。

應(yīng)該注意的是，下圖不是實(shí)際的原理圖，而是有關(guān)如何使用多功能DAC和其他組件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的插圖。雖然它不包括電源電路、旁路和其他無(wú)源元件等方面，但這些圖表說(shuō)明了如何實(shí)現(xiàn)一般應(yīng)用。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAQ） 用于使用微控制器或微處理器 （MPU） 測(cè)量電氣或物理奇異點(diǎn)，例如電壓、電流或壓力，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理能力。DAQ 由 傳感器、 放大器、 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換 器 和 帶 嵌入式 軟件 的 控制器 組成， 用于 控制 采集 過(guò)程。

在過(guò)程控制應(yīng)用中，傳感器的靈敏度足以保持待測(cè)信號(hào)的質(zhì)量至關(guān)重要。但即使傳感器足夠靈敏，增益和失調(diào)等信號(hào)鏈誤差仍可能干擾信號(hào)質(zhì)量。高性能應(yīng)用采用DAC自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的調(diào)理電路。圖1顯示了壓力傳感系統(tǒng)的框圖。它說(shuō)明了AD5761R等雙極性DAC及其產(chǎn)品系列如何用于自動(dòng)增益和失調(diào)校準(zhǔn)方案。

精密橋式傳感器接收來(lái)自壓力傳感器的激勵(lì)信號(hào)并產(chǎn)生輸出電壓。由于換能器信號(hào)的幅度較低，儀表放大器通常用作信號(hào)倍增器。這種低幅度信號(hào)容易出錯(cuò)。此類(lèi)誤差通常是由溫度變化引起的漂移、電路板上的寄生誤差以及無(wú)源元件的容差引起的。

使用AD5761R，可以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)增益和失調(diào)校準(zhǔn)，以便在系統(tǒng)隨時(shí)間推移運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)校正誤差。根據(jù)調(diào)整水平和所需的極性，完整的高分辨率多功能雙極性DAC可以大大簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過(guò)程。AD5761R可通過(guò)高速4線(xiàn)SPI接口進(jìn)行編程，并提供串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）線(xiàn)，以方便菊花鏈和回讀操作。

圖1.壓力傳感系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)。

工業(yè)自動(dòng)化

工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用多種多樣。但是，無(wú)論存在何種應(yīng)用，此類(lèi)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能和性能都取決于其信號(hào)采集和控制單元。在采集方面，傳感器的靈敏度、調(diào)理電路的適應(yīng)性以及從低電平信號(hào)中獲取正確信息的速度非常重要。在控制方面，適應(yīng)各種執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器要求的靈活性至關(guān)重要。

圖2顯示了一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的示例。具有冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕加糜跍y(cè)量激光機(jī)或重型電機(jī)等工業(yè)設(shè)備的溫度。電壓被收集、濾波并發(fā)送到集成模擬前端（AFE）IC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被傳遞到處理器進(jìn)行分析。根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，處理器向控制DAC發(fā)送信號(hào)，該DAC也是完全隔離的，以驅(qū)動(dòng)工業(yè)風(fēng)扇，激活帕爾貼等冷卻設(shè)備，或打開(kāi)水冷系統(tǒng)的閥門(mén)。此外，用戶(hù)可以通過(guò)控制接口設(shè)備輸入覆蓋命令。

壓力和振動(dòng)測(cè)量和控制可以采用相同的系統(tǒng)。壓力傳感器系統(tǒng)通常用于油罐和化學(xué)品罐監(jiān)測(cè)，而陀螺儀系統(tǒng)通?？捎糜诳焖僖苿?dòng)機(jī)頭的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。這些應(yīng)用程序共享與外部環(huán)境完全隔離的同一 AFE。

AD5761R是一款高電壓、高分辨率、雙極性DAC，具有低漂移內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和軟件可選輸出范圍，是多個(gè)DAC或單個(gè)多路復(fù)用DAC的實(shí)用替代品。它提供單極性和雙極性電壓，同時(shí)通過(guò)超量程輸出選項(xiàng)保持相同的精度。該雙極性DAC支持執(zhí)行器所需的不同需求，包括通過(guò)軟件調(diào)整控制單元，避免硬件修改。

AD5761R及其產(chǎn)品系列采用小型封裝（3 mm×3 mm引線(xiàn)框架芯片級(jí)封裝（LFCSP）和16引腳薄型收縮外形封裝（TSSOP），支持–55°C至+125°C的寬工作溫度范圍。 這種新的工業(yè)控制方法基本上有助于最大限度地減少電路板空間并降低成本。

圖2.工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。

可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器 （PLC） 包含電源、中央處理單元以及多個(gè)模擬和數(shù)字 I/O 模塊，用于控制、驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控復(fù)雜的機(jī)器變量。PLC 廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，它們具有擴(kuò)展的溫度范圍、抗電噪聲能力以及抗振動(dòng)和抗沖擊性?；具^(guò)程控制系統(tǒng)構(gòu)建模塊如圖3所示。報(bào)告過(guò)程變量狀態(tài)的輸入信號(hào)通過(guò)輸入模塊進(jìn)行監(jiān)控，并傳輸?shù)?a target="_blank">MCU進(jìn)行分析。根據(jù)該分析的結(jié)果，輸出模塊管理包含必要安排的響應(yīng)，以控制系統(tǒng)中的設(shè)備。

圖3.過(guò)程控制系統(tǒng)構(gòu)建塊。

圖4顯示了一個(gè)更完整的工業(yè)PLC系統(tǒng)，包括一個(gè)嵌入式控制器/處理器作為主系統(tǒng)控制器與完全隔離的輸入和輸出模塊接口。除電源模塊外，系統(tǒng)分為四個(gè)子系統(tǒng)，分別區(qū)分模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和模擬輸出模塊。部署了幾種類(lèi)型的傳感器來(lái)獲取不同幅度和頻率的模擬信號(hào)。這些信號(hào)需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式以供進(jìn)一步分析?？删幊淘鲆娣糯笃鲗?duì)小輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以便通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。需要隔離以保護(hù)控制器或處理器免受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的意外過(guò)壓的影響，為此，在處理器和輸入輸出模塊之間放置了光學(xué)或集成隔離器。

圖4.完整PLC系統(tǒng)的框圖。

輸入和輸出模塊的精度和分辨率要求相當(dāng)不同。雖然需要輸入模塊來(lái)監(jiān)控過(guò)程中的高精度和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，但在高端應(yīng)用中，輸出模塊基本上以16位分辨率和精度調(diào)整輸出。由于這些條件，Σ -Δ ADC通常用于PLC系統(tǒng)中的輸入模塊，市場(chǎng)上有各種隔離式、單通道/多通道和同步采樣ADC。

輸出模塊可提供精密電壓DAC、精密電流DAC或兩者的組合。有幾種方法允許為PLC的模擬輸出生成電流和電壓電平。AD5761R等精密雙極性DAC的發(fā)展提供了額外的功能和高集成度，大大降低了PLC系統(tǒng)的復(fù)雜性、電路板尺寸和成本。

電機(jī)控制

DAC在電機(jī)控制環(huán)路中執(zhí)行不可或缺的功能;例如，在輸液泵系統(tǒng)中。輸液泵廣泛用于人類(lèi)醫(yī)療保健，為所有年齡段的患者提供醫(yī)療服務(wù)。輸液泵的作用是以間歇性或連續(xù)性的方式向患者的心血管系統(tǒng)輸送液體、藥物或補(bǔ)充劑。

盡管輸液泵需要合格的用戶(hù)對(duì)治療的特定參數(shù)進(jìn)行編程，但與手動(dòng)給藥相比，其相關(guān)優(yōu)勢(shì)會(huì)影響提高用戶(hù)的信心。這些儀器能夠在自操作模式下按預(yù)定的時(shí)間間隔準(zhǔn)確輸送微量劑量，無(wú)需護(hù)士或醫(yī)生手動(dòng)控制流向患者的液體流量。醫(yī)生和醫(yī)療管理人員可以依靠輸液泵系統(tǒng)的安全性來(lái)顯示有關(guān)滴定安全性的劑量限制的實(shí)時(shí)系統(tǒng)信息，以防止過(guò)量，以及物理輸送機(jī)制本身的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖5.大容量輸液泵系統(tǒng)。

在運(yùn)行期間，微控制器從直流電機(jī)接收受監(jiān)控的速度和方向信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析和調(diào)整（如果需要）以滿(mǎn)足設(shè)定值。前饋路徑中的DAC為系統(tǒng)提供調(diào)整，而反饋路徑中的ADC監(jiān)視每次調(diào)整的效果。DAC設(shè)置的所需設(shè)定點(diǎn)電壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)放大，為直流電機(jī)提供所需的驅(qū)動(dòng)電流。

ADI提供高性能模擬和混合信號(hào)處理解決方案，用于檢測(cè)、測(cè)量和控制化學(xué)分析儀、流式細(xì)胞儀、輸液泵、透析設(shè)備、呼吸機(jī)、導(dǎo)管和更多醫(yī)療器械中使用的傳感器和執(zhí)行器。特別是，AD5761R是一款高分辨率、雙極性DAC，具有8個(gè)軟件可選輸出范圍，同時(shí)保持通用精度，是電機(jī)控制應(yīng)用的理想器件，支持電機(jī)所需的不同電壓擺幅。

結(jié)論

DAC在確定許多控制系統(tǒng)和簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換電路以及其他復(fù)雜應(yīng)用的性能和精度方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。AD5761R及其產(chǎn)品系列是一款完整的16位分辨率精密雙極性DAC，具有多個(gè)可編程輸出范圍，適合上述應(yīng)用。AD5761R系列DAC具有高度可配置的范圍（0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至16 V、0 V至20 V、±3 V、±5 V、±10 V和?2.5 V至+7.5 V;5%超量程），使該系列DAC成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通用解決方案。 工業(yè)自動(dòng)化、可編程邏輯控制器和電機(jī)控制器。AD5761R產(chǎn)品系列中的集成包括輸出緩沖器和2 ppm/°C緩沖內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，可顯著簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，減小電路板尺寸，并最大限度地降低功耗和成本。

審核編輯：郭婷