【導(dǎo)讀】當(dāng)前市場在不斷動(dòng)態(tài)變化，促使設(shè)計(jì)周期越來越短，系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)，而且終端系統(tǒng)更具便攜性。這就要求必須采用新方法來簡化這些挑戰(zhàn)，同時(shí)又不增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度。 本文將討論控制和測量方面的一些關(guān)鍵系統(tǒng)挑戰(zhàn)；許多不同應(yīng)用都涉及到控制和測量，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。
本文將探討雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)架構(gòu)的最新進(jìn)展，以及這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何應(yīng)對(duì)終端系統(tǒng)挑戰(zhàn)，例如：通過[比如]在相同或更少的空間中提供更多功能和智能。 本文還會(huì)探討分立式和功能更完整的解決方案。 最后，本文會(huì)說明多種替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)涞姆桨?，這些方案在設(shè)計(jì)重用和系統(tǒng)模塊化方面具有更高的靈活性。
應(yīng)當(dāng)注意的是，下面的圖形并非實(shí)際原理圖，而是關(guān)于如何利用多功能DAC和其他器件來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的示意圖。 雖然并未包括電源電路、旁路和其他無源元件等方面，但這些圖形顯示了應(yīng)用[此類應(yīng)用]的一般實(shí)現(xiàn)方法。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)用于測量電壓、電流或壓力等電氣或物理特性，并利用微控制器或微處理器(MPU)來處理數(shù)據(jù)。 DAQ由傳感器、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和控制器組成，其中控制器利用嵌入式軟件控制采集過程。
在過程控制應(yīng)用中，傳感器必須足夠敏感以便保障待測信號(hào)的質(zhì)量，這點(diǎn)非常重要。 但是，即便傳感器足夠敏感，增益和失調(diào)等信號(hào)鏈誤差也可能會(huì)干擾信號(hào)質(zhì)量。 在高性能應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用DAC自動(dòng)校準(zhǔn)調(diào)理電路。 圖1是一個(gè)壓力檢測系統(tǒng)的框圖。 它顯示了AD5761R 等雙極性DAC及該系列產(chǎn)品如何用于自動(dòng)增益和失調(diào)校準(zhǔn)方案。
精密電橋傳感器收到來自壓力傳感器的激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生輸出電壓。 由于電橋傳感器的信號(hào)幅度較低，通常會(huì)使用儀表放大器來放大信號(hào)。 這種低幅度信號(hào)容易受誤差影響。 此類誤差通常包括溫度變化引起的漂移誤差、電路板上的寄生誤差以及無源器件的容差。
利用AD5761R，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)增益和失調(diào)校準(zhǔn)，從而在系統(tǒng)工作期間動(dòng)態(tài)校正誤差。 根據(jù)調(diào)整水平和所需的極性，完整、高分辨率、多功能、雙極性DAC可大大簡化校準(zhǔn)過程。 AD5761R可通過高速4線SPI接口進(jìn)行編程，該接口的串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)線可為菊花鏈和回讀操作提供便利。
圖1. 壓力檢測系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)
工業(yè)自動(dòng)化
工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用多種多樣。 但無論什么應(yīng)用，此類自動(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)采集正確信息的速度是非常重要的。 在控制方面，能夠靈活適應(yīng)不同執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器的要求至關(guān)重要。
圖2是一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的示例。 一個(gè)帶冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕加脕頊y量激光加工機(jī)床或重型電機(jī)等工業(yè)設(shè)備的溫度。 電壓經(jīng)過放大和濾波后送至集成模擬前端(AFE) IC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)送入處理器進(jìn)行分析。 基于處理過的數(shù)據(jù)，處理器將信號(hào)送至一個(gè)同樣完全隔離的控制DAC，以驅(qū)動(dòng)工業(yè)風(fēng)機(jī)、激活Peltier之類的冷卻裝置或開啟水冷系統(tǒng)的閥門。 此外，用戶可通過控制接口設(shè)備輸入超控命令。
經(jīng)過改造后，該系統(tǒng)也可用于壓力和振動(dòng)的測量與控制。 油品和化學(xué)品儲(chǔ)罐監(jiān)控通常使用壓力傳感器系統(tǒng)，快速運(yùn)動(dòng)機(jī)器頭部的振動(dòng)監(jiān)控通常使用陀螺儀系統(tǒng)。 這些應(yīng)用可采用相同的AFE，它與外部環(huán)境完全隔離。
AD5761R是一款高電壓、高分辨率、雙極性DAC，內(nèi)置低漂移基準(zhǔn)電壓源并提供軟件可選的輸出范圍，可以很好地取代多個(gè)DAC或單個(gè)復(fù)用DAC。 它提供單極性和雙極性電壓并保持相同的精度，還有超范圍輸出選項(xiàng)。 該雙極性DAC支持執(zhí)行器的不同需求，包括通過軟件調(diào)整控制單元，以免修改硬件。
AD5761R及該系列產(chǎn)品提供兩種小型封裝——3 mm × 3 mm引腳框架芯片級(jí)封裝(LFCSP)和16引腳超薄緊縮封裝(TSSOP)，并且支持–55°C至+125°C的寬工作溫度范圍。 這種新型工業(yè)控制方法對(duì)縮小電路板空間和降低成本非常有幫助。
圖2. 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)簡圖
可編程邏輯控制器
可編程邏輯控制器(PLC)集成電源、中央處理單元和多個(gè)模擬/數(shù)字I/O模塊，以便控制、激活、監(jiān)測復(fù)雜的機(jī)器變量。 PLC廣泛用于各行各業(yè)，它們提供擴(kuò)展的溫度范圍，不受電氣噪聲影響，并且能夠耐受振動(dòng)和沖擊。 圖3顯示了一個(gè)過程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。 報(bào)告過程變量狀態(tài)的輸入信號(hào)通過輸入模塊來監(jiān)控，并傳輸?shù)組CU進(jìn)行分析。 基于分析結(jié)果，輸出模塊作出必要的響應(yīng)來控制系統(tǒng)中的設(shè)備。
圖3. 過程控制系統(tǒng)構(gòu)建模塊
圖4. 完整PLC系統(tǒng)框圖
輸入和輸出模塊的精度和分辨率要求大不相同。 在高端應(yīng)用中，輸入模塊需要監(jiān)控高度精確的過程數(shù)據(jù)采集，而輸出模塊本質(zhì)上是以16位分辨率和精度調(diào)整輸出。 因此，PLC系統(tǒng)的輸入模塊常常使用Σ -Δ型ADC，市場上有各種各樣的隔離式、單通道/多通道、同步采樣ADC可供使用。
輸出模塊可提供精密電壓DAC、精密電流DAC或二者的結(jié)合。 針對(duì)PLC模擬輸出，可利用多種方法來產(chǎn)生電流和電壓電平。 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，對(duì)PLC系統(tǒng)相當(dāng)有利，可降低系統(tǒng)復(fù)雜度、縮小電路板尺寸并減少成本。
電機(jī)控制
在電機(jī)控制環(huán)路中，例如在輸液泵系統(tǒng)中，DAC是必不可少的。 輸液泵廣泛用于醫(yī)療服務(wù)中，可為所有年齡層次的病人提供治療。 輸液泵的作用是斷續(xù)或連續(xù)地向病人的心血管系統(tǒng)輸送液體、藥物或補(bǔ)充劑。
雖然輸液泵要求具備資格的用戶來設(shè)置治療的特定參數(shù)，但相比于手動(dòng)管理，其暗含的優(yōu)勢無疑會(huì)提高用戶的信心。 在自行操作模式下，此類儀器能夠以設(shè)定的間隔精確輸送小劑量液體，無需護(hù)士或醫(yī)生手動(dòng)控制液流以輸送給病人。 輸液泵系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示關(guān)于劑量限制的系統(tǒng)信息，醫(yī)生和醫(yī)療管理員可以借助輸液泵系統(tǒng)的安全性實(shí)現(xiàn)滴定安全性，防止輸液過量，并確保物理輸送機(jī)制本身的可靠性和準(zhǔn)確性。
圖5. 大容量輸液泵系統(tǒng)
工作過程中，微控制器接收來自直流電機(jī)的速度和方向信號(hào)，并進(jìn)行分析和調(diào)整（如需要）以達(dá)到設(shè)定值。 正饋路徑中的DAC提供對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整，反饋路徑中的ADC監(jiān)控每次調(diào)整的效果。 DAC設(shè)定的電壓通過驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)放大，以向直流電機(jī)提供所需的驅(qū)動(dòng)電流。
ADI公司提供高性能模擬和混合信號(hào)處理解決方案，用于檢測、測量、控制化學(xué)分析儀、流式細(xì)胞分析儀、輸液泵、透析設(shè)備、呼吸器、導(dǎo)管及其他醫(yī)療儀器中的傳感器和執(zhí)行器。 具體而言，AD5761R這款提供8個(gè)軟件可選輸出范圍且保持同一精度的高分辨率、雙極性DAC，便非常適合電機(jī)控制應(yīng)用，其支持電機(jī)所需的不同電壓擺幅。
結(jié)論
對(duì)于許多控制系統(tǒng)和簡單的轉(zhuǎn)換電路，以及其他復(fù)雜應(yīng)用，DAC在決定其性能和精度方面起著重要作用。 AD5761R及該產(chǎn)品系列是完整的16位分辨率、精密雙極性DAC，提供多種可編程輸出范圍，適合上述應(yīng)用。 AD5761R系列DAC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%超范圍），使得該系列DAC具有普遍適用性，支持?jǐn)?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)控制器等所有解決方案。 AD5761R產(chǎn)品系列的高集成度，包括輸出緩沖器和2 ppm/°C內(nèi)部緩沖基準(zhǔn)電壓源，可大大簡化電路板設(shè)計(jì)，縮小電路板尺寸，并使功耗和成本最低。
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