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簡化製程控制類比輸入模組的設計
 

【作者: Cathal Casey】   2019年05月17日 星期五

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在針對像是可編程邏輯控制器(PLC)或分散式控制系統(DCS)模組等應用設計類比輸入模組時,通常會在效能與成本之間進行取捨。這類應用領域傳統上會使用雙極+/-15 V供電軌為主動前端元件供電,這些元件用來調節或增益輸入訊號。這種作法除了影響零組件(BoM)成本之外,由於構成多個獨立的雙極電源,因此也提高了設計的複雜度。


為撙節成本,業界因而想出一種替代方法,就是使用單一5V供電。單一5V電源軌可大幅降低設計複雜度,包括針對各個類比前端元件規劃獨立電源的設計工作。不過,這也會衍生許多難題,而且可能導致量測解決方案的精準度下降。AD4111元件不僅因應整合電壓與電流量測的需求,也解決5V電源解決方案的諸多限制。


整合式前端元件

AD4111是一款24位元Sigma-Delta(Σ-Δ)類比數位轉換器,藉由建置創新但簡單++的訊號鏈,使得開發時間與成本皆能降低。運用ADI的iPassives專利技術,它結合了一個類比前端以及ADC元件。這使得AD4111能接受+/-10 V輸入,以及0 mA 至20 mA的電流輸入,而且不需要外部元件就能以一個 5V或 3.3V電源運作。


電壓輸入符合正負20 V的過量程(overrange)規範,在單一電壓針腳上絕對最大有效轉換範圍為正負50V。電流輸入範圍為–0.5 mA 到 24 mA,精準電流量測接近0 mA,精準轉換可達24mA。AD4111的電壓輸入保證最低阻抗為1 MΩ,這足以省去+/-15 V 的外部緩衝元件,進一步節省電路板空間與物料清單成本。


5V的設計受限於高阻抗電壓除以每個電壓輸入端,這方面的需求會用到更多的電路板空間。分立式解決方案的設計,逐漸成為成本與電阻精準度之間的取捨。為解決這方面難題,AD4111 因此為每個輸入端整合一個高阻抗的精準型電壓分壓器,如圖3所示。



圖一 : AD4111功能模塊圖.
圖一 : AD4111功能模塊圖.

明線偵測

單一5V設計的限制通常為缺少明線(open wire)偵測機制,其解決方法一般是在15V電源軌上使用高阻抗電阻,藉以將開放接點(open connection)拉升到超出範圍的電壓。


這方面的難題可透過AD4111來加以克服,它使用5V或3.3V的供電提供獨特的明線偵測功能。覆蓋超出範圍失效的明線偵測機制,而能進一步簡化診斷流程。將這項功能整合在AD4111,即可省去在前端部分的拉升電阻,進而省去15V的供電,如圖2所示。


省略+/-15V供電,可降低獨立電路的複雜性、空間、以及幅射干擾。對於那些不需要明線偵測功能的應用,至於AD4112這款元件與AD4111的唯一差別,只是少了明線偵測功能。


系統層級解決方案

AD4111整合參考電壓以及內部時脈的設計,不僅進一步降低機板尺吋與物料清單成本,若必須達到更高的精準度以及在更大溫度範圍進行低誤差轉換,也能添加外部元件。圖2與圖3分別顯示了典型的高階與低階解決方案。圖2與圖3標示的部分訊號鏈可更換成AD4111。AD4111的總未調整誤差(TUE)精準度規格能達到系統層級的要求。


對於許多解決方案而言,其精準度可能足以省略額外校正的步驟。而在現有高精準度解決方案中,模組通常會對每個通道進行校正。由於AD4111針對高度匹配的輸入進行設計,因此對單一輸入端進行校正就能讓所有輸入端達到相近的精準度。



圖二 : 典型高階解決方案
圖二 : 典型高階解決方案

圖三 : 典型低階解決方案.
圖三 : 典型低階解決方案.

EMC測試

由於PLC與DCS模組通常會在嚴苛的工業環境運作,因此須承受各種電磁干擾(EMI)狀況。這會對電磁相容(EMC)輸入模組的設計構成更高的複雜性,因為大多數元件並沒有針對EMC 進行評測,因此設計輸入保護以及濾波電路的工作就更加複雜。


另外,這也會增加設計與測試的工作量,進而大幅延長研發時間。租用EMC實驗室所費不貲,而測試失敗就意謂了冗長的延遲,接著必須重新設計機板,然後再次測試。


AD4111已針對裝在印刷電路板(PCB)的情境進行設計,展現本身為通過驗證的EMC解決方案。機板透過特性分析,可確保電路效能不會受到幅射射頻(RF)或導通的RF干擾造成永久性影響,並展現足夠的免疫力,足以抵抗靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈衝群(EFT)、以及符合IEC 61000-4-x相關標準的突波。


此外,它還符合工業/科學/醫療設備的CISPR 11規範,機板的幅射低於Class A的上限。


總結

AD4111為一款系統層級ADC,擁有極高的整合度,具備全面的可調適能力,能接受±10 V的電壓輸入,以及0 mA至20 mA的電流輸入,其可透過一個5V或3.3V供電運行,兼具明線(open wire)偵測機制,以及許多其他功能特色,為類比式輸入模組設計提供一個獨特解決方案。它提供6 mm × 6 mm的40-lead LFCSP封裝,以及必要的相關模組,以往整個複雜PCB電路現在只需一顆元件就能取代。


(本文作者Cathal Casey為ADI應用工程師)


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