模拟输出模块和信号处理的PLC工业系统的设计.docx

【Word版本下载可任意编辑】 PAGE 1 - / NUMPAGES 1 模拟输出模块和信号处理的PLC工业系统的设计 PLC系统包含输入模块、输出模块和输入/输出模块。因为许多输入和输出都涉及现实世界中的模拟变量——而控制器是数字式的—PLC系统硬件设计任务将主要围绕如下方面展开：数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、输入和输出信号调理、输入/输出模块的电气连线与控制器之间以及模块相互之间的隔离问题。  I/O模块的分辨率范围从12位到16位，在整个工业级温度范围的 为0.1%。模拟输出电压范围通常为±5V、±10V或者0V“5V、0V”10V，电流范围为4“20mA或0”20mA。对DAC的稳定时间要求，从10ms一直到100ms，具体则取决于应用的实际要求。模拟输入范围广泛，由电桥传感器输出的±10mV微弱电压信号;也有电机控制器±10V的电压信号，或者工业过程控制系统的4“20mA电流。转换时间则取决于所要求的 和所选用的ADC架构，从10SPS到几百KSPS。  数字隔离器、光耦隔离器或者电磁隔离器用来将系统现场的ADC、DAC和信号调理电路与数字端的控制器隔离开来。如果模拟端的系统也必须实现充分隔离的话，在输入或者输出的每个通道必须采用转换器以便 限度提高通道间的隔离度—电源的隔离也是必需的。  iCMOS 工艺  iCMOS技术是一种新型的高性能制造工艺，它将高压的集成电路与亚微米级CMOS和互补双极型工艺融为一体，在PLC设计的输入、输出部分所使用。  iCMOS技术使得单芯片的设计能够融合5V CMOS并实现其与电压更高的（16、24或者30V）CMOS电路的匹配——于是同一块芯片将拥有多路不同电压的电源。由于能够如此灵活地将各种元件和工作电压集成到一起，亚微米的iCMOS 器件具有更高的性能，其集成的功能更多，而功耗更低——而且所需要的电路板面积大大小于前几代高压产品。其中的双极型工艺为ADC、DAC和低失调放大器提供了 的基准源，出色的匹配特性和高度的稳定性。  薄膜电阻具有高达12位的初始匹配特性，经过修调后可以实现16位的匹配，温度和电压系数与传统的多晶硅的电阻相比，改善了20倍，是高准确度、高 的数模转换器的理想选择。片上的薄膜熔断器使得高 转换器的积分非线性、偏置和增益等性能可以用数字化的技术来校准。  PLC 输出模块  PLC系统的模拟输出——通常用于控制工业环境中的执行器、阀和电机——使用了标准的模拟输出范围，如±5、±10V、0V～5V、0V～10V、4～20mA或者0～20mA。模拟输出的信号链常常包括了数字隔离——将控制器的数字输出与DAC和模拟信号调理部分隔离开来。在数字化隔离的系统中所使用的转换器主要使用3线或者4线串行接口来 限度减小所要求的数字隔离器或者光耦隔离器的数量。  PLC系统的模拟输出模块通常采用两种架构：每个通道一个DAC的架构和每个通道一个采样保持器的架构。 种架构中，每个通道使用一个专用的DAC来产生模拟控制电压或者电流。现在有许多多通道DAC可供选择，在空间占用上更少，通道单位成本更低，但那些需要通道相互隔离的往往采用了单通道DAC架构。图2是每通道使用一个DAC的典型配置。这种 简单DAC是低压单电源型的，采用2.5V”5.5V电源供电，输出范围是0“VREF，输出信号经过调理后可以产生所需的任意电压或者电流范围。双极性输出转换器采用双电源供电，可以用于必须输出双极性电压范围的输出模块。  图2 每通道一个DAC的架构  四路D/A转换器是非隔离型的多通道输出设计的理想选择，通过外接信号调理电路的方法可以实现多达4路的不同的输出配置。例如，图3示出了16bit 4路电压输出型DACAD5664R是如何提供0～5V的输出范围的——它也可以通过不同的连接方式提供各种标准所需的输出电压范围，或者通过外接的四运放构成灌电流输出。在配制成双极性输出时，其内部基准源的对外输出可以提供必要的跟踪偏置电压。  图3 利用多通道D/A变换器实现±5V、±10V、0V”10V、0V“5V等电压和电流沉输出  图4示出了隔离4”20mA电流环控制电路中所使用的一个单通道转换器。AD5662采用SOT-23封装，适用于那些需要在模拟输出之间充分隔离的应用。  图4 一个4～20mA电流控制电路  图4 中，AD5662 的输出电压摆幅为5V，该电压由ADR02电压基准来提供，它可以从变化的回路电压中稳压出一路精细的电源。5V的DAC输出则通过一个运算放大器和晶体管构成的混合电路转换成4～20mA的电流输出。因为运算放大器的同向端