數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡介可編程邏輯控制器(plc)是很多工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)的核心，可監(jiān)控和控制復(fù)雜的系統(tǒng)變量?；趐lc的系統(tǒng)采用多個傳感器和執(zhí)行器，可測量和控制模擬過程變量，例如壓力、溫度和流量。plc廣泛應(yīng)用于眾多不同應(yīng)用，例如工廠、煉油廠、醫(yī)療設(shè)備和航空航天系統(tǒng)，它們需要很高的精度，還要保持穩(wěn)定的長時間工作。此外，激烈的市場競爭形勢要求必須降低成本和縮短設(shè)計(jì)時間。因此，工業(yè)設(shè)備和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)人員在滿足客戶對精度、噪聲、漂移、速度和安全的嚴(yán)格要求方面遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文以plc應(yīng)用為例，說明多功能、低成本的高度集成adas3022如何通過更換模擬前端(afe)級，降低復(fù)雜性、

2、解決多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的諸多難題。這種高性能器件具有多個輸入范圍，非常適合高精度工業(yè)、儀器、電力線和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用，可以降低成本和加快產(chǎn)品面市，同時占用空間很小，易于使用，在1 msps速率下提供真正的16位精度。plc應(yīng)用示例圖1顯示在工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)中使用plc的簡化信號鏈。plc通常包括模擬和數(shù)字輸入/輸出(i/o)模塊、中央處理器(cpu)和電源管理電路。在工業(yè)應(yīng)用中，模擬輸入模塊可獲取和監(jiān)控惡劣環(huán)境中的遠(yuǎn)程傳感器信號，例如存在極端溫度和濕度、振動、爆炸化學(xué)物品的環(huán)境。典型信號包括具有5 v、10 v、5 v和10 v滿量程范圍的單端電壓或差分電壓，或者0 ma至

3、20 ma、4 ma至20 ma、20 ma范圍的環(huán) 路電流。當(dāng)遇到具有嚴(yán)重電磁干擾(emi)的長電纜時，通常使用電流環(huán)路，因?yàn)樗鼈儽旧砭哂辛己玫目箶_度。 模擬輸出模塊通常控制執(zhí)行器，例如繼電器、電磁閥和閥門等，以形成完整自動化控制系統(tǒng)。它們通常提供具有5 v、10 v、5 v和10 v滿量程范圍的輸出電壓，以及4 ma至20 ma的環(huán)路電流輸出。典型模擬i/o模塊包括2個、4個、8個或16個通道。為滿足嚴(yán)格行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些模塊需要提供過壓、過流和emi浪涌保護(hù)。大多數(shù)plc包括adc和cpu之間、cpu和dac之間的數(shù)字隔離。高端plc 可能還有國際電工委員會(iec)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通道間隔離。很

4、多i/o模塊可以對每通道的對單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率單獨(dú)進(jìn)行軟件編程。在現(xiàn)代plc中，cpu自動執(zhí)行多個控制任務(wù)，利用實(shí)時信息訪問進(jìn)行智能決策。cpu可能包含高級軟件和算法以及web連接，用于差錯校驗(yàn)診斷和故障檢測。常用通信接口包括rs-232、rs-485、工業(yè)以太網(wǎng)、spi和uart.圖1. 典型plc信號鏈分立式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案工業(yè)設(shè)計(jì)人員可以使用分立式高性能組件，為plc或類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建模擬模塊，如圖2所示。主要設(shè)計(jì)考慮因素包括輸入信號配置、整體系統(tǒng)速度、精度和精確性。此處所示的信號鏈采用 adg1208/adg1209低泄漏多路復(fù)用器、ad8251快速建立可編程增益儀表

5、放大器(pgia)、ad8475高速漏斗放大器ad7982差分輸入18位pulsar?adc和adr4550超低噪聲基準(zhǔn)電壓源。這種解決方案提供四個不同增益范圍，但在10 v的最大輸入信號的情況下，設(shè)計(jì)人員必然會擔(dān)心多路復(fù)用器的切換和建立時間，以及其他模擬信號調(diào)理問題。此外，在1 msps速率下實(shí)現(xiàn)真正的16位性能可能是一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即便在使用這些高性能器件時也是如此。 ad7982具有滿量程階躍的290 ns瞬態(tài)響應(yīng)性能。因此，要在1 msps速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時保證指定性能，pgia和漏斗放大器必須在710 ns時間內(nèi)建立。但是，ad8251針對10 v階躍達(dá)到16位轉(zhuǎn)換精度(0.001%

6、)的建立時間為785ns,因此該信號鏈的保證最大吞吐率將小于1 msps.圖2. 使用分立式元件的模擬輸入信號鏈集成式解決方案簡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)16位1 msps adas3022數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ic采用專有高壓工業(yè)工藝技術(shù)icmos?制造，集成8通道、低泄漏多路復(fù)用器;高阻抗pgia (具有高共模抑制);高精度低漂移4.096 v基準(zhǔn)電壓源和緩沖器;16位逐次逼近型adc.如圖3所示。 圖3. adas3022功能框圖 這個完整傳感器數(shù)據(jù)采集解決方案占用的電路板空間僅為分立方案的三分之一，有助于工程師簡化設(shè)計(jì)，同時減小高級工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時間，節(jié)省成本。它使得我們無需對輸入

7、信號進(jìn)行緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或其他調(diào)理，也消除了我們對共模抑制、噪聲和建立時間的擔(dān)憂，還解決了與設(shè)計(jì)高精度16位1 msps數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的諸多難題。它可在1 msps速率下(典型snr為91 db)提供同類最佳的16位精度(典型inl為0.6 lsb)、低失調(diào)電壓、低溫度漂移和優(yōu)化噪聲性能，如圖4所示。該器件的額定溫度范圍為-40c至+85c工業(yè)溫度范圍。圖4. adas3022的inl和fft性能pgia具有很大的共模輸入范圍、真正的高阻抗輸入(500 m)和寬動態(tài)范圍，這使得它能夠處理4 ma至20 ma的環(huán)路電流，精確測量小傳感器信號，抑制交流電力線、電機(jī)和其他來源的干擾(90

8、 db的最小cmr)。輔助差分輸入通道可處理4.096 v輸入信號。它旁路多路復(fù)用器和pgia級，允許與16位sar adc直接接口。片內(nèi)溫度傳感器可以監(jiān)控本地溫度。 這種高集成度可以節(jié)省電路板空間，降低整體部件成本，使得adas3022非常適合空間受限的應(yīng)用，例如自動測試設(shè)備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動化、過程控制、病人監(jiān)護(hù)以及其他工業(yè)和儀表系統(tǒng)，它們都采用10 v的工業(yè)信號電平工作。 圖5. 采用集成pga的完整5 v、單電源、8通道數(shù)據(jù)采集解決方案圖5顯示完整的8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(das)。adas3022采用15 v和+5 v模擬和數(shù)字電源，以及1.8v至5v邏輯i/o電源。高效率、低紋波d

9、c-dc升壓轉(zhuǎn)換器adp1613使得das能夠采用5 v單電源工作。adp1613使用?adisimpower?設(shè)計(jì)工具配置為單端初級原邊電感(sepic)拓?fù)洌峁┒嗦窂?fù)用器和pgia所需的15 v雙極性電源，而不會影響性能。表1對adas3022和分立信號鏈的噪聲性能進(jìn)行了比較，并利用每個元件的輸入信號幅度、增益、等效噪聲帶寬(enbw)和折合到輸入端的(rti)噪聲，計(jì)算整個信號鏈的總噪聲。表1. adas3022和分立信號鏈的噪聲性能 ad8475和ad7982(圖2)之間的單極點(diǎn)低通濾波器(lpf)可以衰減來自ad7982的開關(guān)電容輸入的反沖，限制高頻噪聲量。lpf的-3 db 帶寬

10、(f-3db) 為6.1 mhz(r=20 ，c=1.3 nf)，在1 msps速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，可快速建立輸入信號。lpf的enbw計(jì)算方法為：enbw=/2 f-3db=9.6 mhz 請注意，此計(jì)算方法忽略了來自基準(zhǔn)電壓源和lpf的噪聲，因?yàn)樗粫χ饕蓀gia決定的總噪聲產(chǎn)生很大影響。以使用5 v輸入范圍為例。在此情況下，ad8251的增益設(shè)置為2.漏斗放大器設(shè)置的固定增益為0.4,適用于所有四種輸入范圍。因此ad7982要處理0.5v至4.5v的差分信號(4 v p-p)。adg1208的rti 噪聲從johnson/nyquist噪聲公式得出：en2=4kbtron, 其中kb=

11、1.38 10 23 j/k, t=300k, and ron=270 。ad8251的rti噪聲由數(shù)據(jù)手冊中增益為2時的27 nv/hz噪聲密度得出。同樣，ad8475的rti噪聲也由10 nv/hz噪聲密度得出，使用的增益為0.8 (2 0.4)。在這些計(jì)算中，enbw=9.6 mhz.ad7982的rti噪聲則根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中增益為0.8時的95.5 db snr計(jì)算得到。整個信號鏈的總rti噪聲根據(jù)分立元件的rti噪聲的方和根(rss)計(jì)算。89.5 db的總snr可通過公式snr=20 log(vinrms/rtit otal)計(jì)算。雖然分立信號鏈的理論噪聲估計(jì)值(snr)和整體性能與adas3022相當(dāng)，特別是在低增益(g=1和g=2)和低吞吐率(遠(yuǎn)低于1 msps)條件下，但它并非理想解決方案。與分立式解決方案相比， adas3022可以節(jié)省大約50%的成本和大約67%的電路板空間，它還可以接收其他三個輸入范圍(0.64 v、20.48 v、24.576 v)，這是分立式解決方案無法提供的。 結(jié)論下一代工業(yè)p