你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

更精確更靈活,如何優(yōu)化工業(yè)DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2016-06-14 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】可編程邏輯控制器(PLC)是很多工業(yè)自動(dòng)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。此外,激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)要求必須降低成本和縮短設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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)。

基于PLC的系統(tǒng)采用多個(gè)傳感器和執(zhí)行器,可測(cè)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(zhǎng)時(shí)間工作。 
 
本文說明如何利用ADAS3022來替換模擬前端(AFE)級(jí),從而降低復(fù)雜性,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(gè)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(shí)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。
 
圖1. 典型PLC信號(hào)鏈
 
PLC應(yīng)用示例
 
圖1顯示在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制系統(tǒng)中使用PLC的簡(jiǎn)化信號(hào)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(hào),例如存在極端溫度和濕度、振動(dòng)、爆炸化學(xué)物品的環(huán)境。典型信號(hào)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(zhǎng)電纜時(shí),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??刂茍?zhí)行器,例如繼電器、電磁閥和閥門等,以形成完整自動(dòng)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(gè)、4個(gè)、8個(gè)或16個(gè)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(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通道間隔離。 很多I/O模塊包括每通道軟件可編程單端或差分輸入范圍、帶寬和吞吐率。
 
在現(xiàn)代PLC中,CPU自動(dòng)執(zhí)行多個(gè)控制任務(wù),利用實(shí)時(shí)信息訪問進(jìn)行智能決策。CPU可能包含高級(jí)軟件和算法以及Web連接,用于差錯(cuò)校驗(yàn)診斷和故障檢測(cè)。 常用通信接口包括RS-232、RS-485、工業(yè)以太網(wǎng)、SPI和UART。
 
圖2所示電路是一款高度集成、16位、1 MSPS、多路復(fù)用、8通道、靈活的數(shù)字采集系統(tǒng)(DAS),集成可編程增益儀表放大器(PGIA),能夠處理全范圍工業(yè)級(jí)信號(hào)。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(dòng)測(cè)試設(shè)備、電力線監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)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(hào)電平工作。
 
圖2. 采用5 V單電源的16位、1MSPS、8通道數(shù)據(jù)采集解決方案簡(jiǎn)化原理圖
 
ADAS3022可經(jīng)配置用于測(cè)量最多八個(gè)單端輸入或四個(gè)差分對(duì)。七種雙極性輸入范圍可處理各種工業(yè)信號(hào)電平(±640 mV至±24.576 V),因此能夠直接與大部分傳感器接口相連。
 
+5 V單電源為電路供電,高效率、低紋波升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生±15 V電壓,可處理最高±24.576 V的差分輸入信號(hào)(±2 LSB INL最大值、±0.5 LSB DNL典型值)。對(duì)于高精度應(yīng)用,這款緊湊、經(jīng)濟(jì)型電路可以提供高精度和低噪聲性能。經(jīng)低功耗運(yùn)算放大器AD8031緩沖后的低噪聲基準(zhǔn)電壓源ADR434提供基準(zhǔn)電壓。
 
這個(gè)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,并降低了一半的成本,有助于工程師簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),同時(shí)減小高級(jí)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸,縮短產(chǎn)品面市時(shí)間,節(jié)省成本。它使得我們無需對(duì)輸入信號(hào)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(duì)共模抑制、噪聲和建立時(shí)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。
 
ADP1613配置為SEPIC轉(zhuǎn)換器
 
ADP1613用作單端初級(jí)原邊電感(SEPIC) Cuk轉(zhuǎn)換器,是ADAS3022在外部5 V電源供電情況下,為其提供20 mA時(shí)所需±15 V高壓電源以及最大值為3 mV的低輸出紋波的理想選擇。本應(yīng)用中,ADP1613的開關(guān)頻率為1.3MHz。如圖3所示,ADP1613盡可能地減少了外部元器件數(shù)目,并且具有超過86%的效率,因此它能滿足ADAS3022的規(guī)格要求。在該拓?fù)渲惺褂玫统杀続DP1613的最大優(yōu)勢(shì),是它在兩條供電軌之間的出色跟蹤能力,同時(shí)使用現(xiàn)成的耦合電感可產(chǎn)生±15 V電壓。除此之外,還能通過ADIsimPower設(shè)計(jì)工具輕松快捷地完成設(shè)計(jì)制造。
 
圖3. ADP1613的效率(POUT/PIN)與輸出電流(IOUT)的關(guān)系
 
圖2所示電路采用ADP161x SEPIC-Cuk可下載設(shè)計(jì)工具中的下列輸入進(jìn)行設(shè)計(jì),ADIsimPower提供該設(shè)計(jì)工具。利用ADIsimPower設(shè)計(jì)工具可進(jìn)行完全定制設(shè)計(jì),并通過單個(gè)控制器的低成本SEPIC-Cuk拓?fù)淇焖賱?chuàng)建穩(wěn)定的雙路供電軌。
 
測(cè)試設(shè)置的功能框圖如圖4所示。ADP1613評(píng)估板由外部+5 V電源驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生ADAS3022板所需的±15 V電壓。7 V直流壁式電源為EVAL-CED1Z板供電。EVAL-CED1Z板上的穩(wěn)壓器提供ADAS3022板所需的5 V電源。運(yùn)行交流測(cè)試時(shí),采用Audio Precision SYS-2702產(chǎn)生低失真輸入信號(hào)。
 
圖4. 測(cè)試設(shè)置功能框圖
 
圖5顯示的是ADAS3022工作在1 MSPS,并對(duì)其中一個(gè)通道施加20 Vp-p、20kHz輸入信號(hào)時(shí)的典型動(dòng)態(tài)性能。試驗(yàn)中,分別采用線性±15 V臺(tái)式電源和ADP1613評(píng)估板的±15 V輸出驅(qū)動(dòng)ADAS3022,未觀察到有交流或直流性能的差異。
 
圖5. 使用EVAL-CED1Z評(píng)估板和軟件的ADAS3022 FFT輸出
 
結(jié)論
 
下一代工業(yè)PLC模塊需要高精度、可靠運(yùn)行和功能靈活性,所有這些特性都必須通過外形小巧的低成本產(chǎn)品提供。ADAS3022具有業(yè)界領(lǐng)先的集成度和性能,支持廣泛的電壓和電流輸入,以便處理工業(yè)自動(dòng)化和過程控制的各種傳感器信號(hào)。ADAS3022是PLC模擬輸入模塊和其他數(shù)據(jù)采集卡的理想之選,它使得工業(yè)制造商能夠讓他們的系統(tǒng)具有與眾不同的特性,同時(shí)滿足更加嚴(yán)苛的用戶要求。

要采購傳感器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉