PLC評(píng)估板簡(jiǎn)化工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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儀表放大器經(jīng)常被用于處理模擬輸入信號(hào)。這些精密的、低噪聲器件對(duì)干擾很敏感，因此流進(jìn)模擬輸入端口的電流應(yīng)被限制在幾毫安以下。外部肖特基二極管通?？杀Ｗo(hù)儀表放大器。即使在已具有內(nèi)置ESD保護(hù)二極管的情況下，采用外部二極管也可使限制電阻更小并減小噪聲和偏移誤差。雙肖特基勢(shì)壘二極管D4-A和D4-B驅(qū)動(dòng)過(guò)流到達(dá)電源或地。
當(dāng)把連接外部傳感器例如熱電偶(TC)或電阻溫度檢測(cè)器(RTD)直接連到ADC時(shí)，需要類(lèi)似的保護(hù)，如圖15所示。
圖15. 模擬輸入保護(hù)。
- 兩個(gè)TVS網(wǎng)絡(luò)(D5-C和D5-D)被放在J2輸入管腳后，以抑制來(lái)自端口的瞬態(tài)信號(hào)。
- C7、C8、C9、R9和R10構(gòu)成ADC前面的RF衰減濾波器。這個(gè)濾波器有三個(gè)作用：從輸入線(xiàn)路中去掉盡可能多的RF能量，以保持每條線(xiàn)路和地之間的交流信號(hào)平衡，并維持足夠高的測(cè)量帶寬輸入阻抗，以避免載入信號(hào)源。該濾波器在-3dB差分和共模帶寬分別是7.9kHz和1.6MHz。
模擬輸出保護(hù)： PLC評(píng)估系統(tǒng)可通過(guò)軟件配置為各種范圍內(nèi)的輸出模擬電壓或電流。輸出信號(hào)由AD5422提供，該器件是一款高精度、低成本、完全集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它能提供可編程電流源和可編程電壓輸出。AD5422的電壓和電流輸出可被直接連到外部負(fù)載上，因此它們易受到電壓浪涌和EFT脈沖的影響。
輸出電路結(jié)構(gòu)如圖16所示。
圖16. 模擬輸出保護(hù)。
- 一個(gè)TVS(D11)被用于濾除并抑制來(lái)自端口J5的所有瞬態(tài)信號(hào)。
- 一個(gè)絕緣的陶瓷鐵氧體磁珠(L3)串聯(lián)進(jìn)輸出路徑，以增加對(duì)高頻瞬態(tài)噪聲的隔離和去耦效果。在低頻(100 kHz)時(shí)，鐵氧體被感應(yīng)；因此它們?cè)诘屯↙C濾波器中是有益的。在100kHz以上，鐵氧體不能被感應(yīng)，這是高頻濾波器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要特性。鐵氧體磁珠具有三個(gè)作用：局部化系統(tǒng)噪聲，阻止外部高頻噪聲到達(dá)AD5422，并防止內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲波及系統(tǒng)其余部分。當(dāng)鐵氧體處于飽和狀態(tài)時(shí)，它們就變成非線(xiàn)性的并會(huì)損失濾波特性。因此，鐵氧體的直流飽和電流一定不能超出其限制范圍，特別是當(dāng)產(chǎn)生高電流時(shí)。
- 雙肖特基勢(shì)壘二極管D9-A和D9-B將所有的過(guò)流都轉(zhuǎn)移到正或負(fù)電源。在AD5422驅(qū)動(dòng)1μF容性負(fù)載時(shí)，C22提供電壓輸出緩沖以及相位補(bǔ)償。
- 電流輸出通道上的保護(hù)線(xiàn)路與電壓輸出通道上的相當(dāng)類(lèi)似，只是用一個(gè)10Ω電阻(R17)取代了鐵氧體磁珠。從AD5422輸出的電流被外部的分立式NPN晶體管Q1提升。通過(guò)減小流入片上輸出晶體管的電流，外部升壓晶體管的加入將減少AD5422中的功率損耗。Q1的擊穿電壓BVCEO應(yīng)大于60V。在AD5422被用于極端供電電壓、負(fù)載電流和溫度范圍情況的應(yīng)用中，這種外部升壓能力是很有益的。升壓晶體管還可被用于減少溫度感應(yīng)漂移，從而使片上基準(zhǔn)電壓的漂移達(dá)到最小，并改善器件的漂移和線(xiàn)性度。
- 一個(gè)15kΩ的精密低漂移電流設(shè)置電阻(R15)被連接到RSET，以改善電流輸出穩(wěn)定性。
- 在AD5422由外部電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，PLC演示系統(tǒng)可被配置為提供高于15V的電壓輸出。TVS用于保護(hù)電源輸入端口。二極管D6和D7提供反向偏置保護(hù)。所有電源采用10μF的固態(tài)鉭電容和0.1μF的陶瓷電容去耦。
IEC測(cè)試及結(jié)果：表3中的結(jié)果顯示出在測(cè)試期間發(fā)生的DAC輸出偏離情況。測(cè)試完成之后輸出值恢復(fù)到初始值，這一般是指B級(jí)。A級(jí)意味著在測(cè)試期間，偏離值處于允許的系統(tǒng)精度范圍內(nèi)。典型的工業(yè)控制系統(tǒng)精度大約是0.05%。
表3. IEC測(cè)試結(jié)果。
| 測(cè)試項(xiàng)目 | 描述 | 結(jié)果 |
| EN和IEC 61000-4-2 | 靜電保護(hù)(ESD)，±4kV VCD | B級(jí),通道3最大偏離0.32% |
| 靜電保護(hù)(ESD)，±8kV VCD | B級(jí)，通道3最大偏離0.28% | |
| EN和IEC 61000-4-3 | 輻射抗擾度 80MHz 至1GHz 10V/m，垂直天線(xiàn)極化 | 通道1最大偏離0.09%，B級(jí)通道3最大偏離0.30% |
| 輻射抗擾度 80MHz 至1GHz 10V/m,垂直天線(xiàn)極化 | 通道1最大偏離-0.04%, B級(jí)通道3最大偏離0.22% | |
| 輻射抗擾度 1.4MHz至2GHz 3V/m，垂直天線(xiàn)極化 | 通道1最大偏離0.01%，B級(jí)通道3最大偏離-0.09% | |
| 輻射抗擾度 1.4MHz至2GHz 3V/m，垂直天線(xiàn)極化 | 通道1最大偏離0.01%， B級(jí)通道3最大偏離0.09% | |
| EN 和IEC 61000-4-4 | 電快速瞬變脈沖群(EFT)，±2kV 電源端口 | B級(jí),通道3，最大偏離-0.12% |
| 電快速瞬變脈沖群(EFT)，±1kV 信號(hào)端口 | A級(jí)，通道3，最大偏離–0.02% | |
| EN 和IEC 61000-4-5 | 電力線(xiàn)浪涌電壓，±0.5 kV | 未發(fā)生電路板或部件損壞，通過(guò)B級(jí) |
| EN和IEC 61000-4-6 | 電源線(xiàn)傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試， 10V/m ，持續(xù)5分鐘 | B級(jí)，通道3，最大偏離0.09% |
| 輸入/輸出線(xiàn)纜傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試，10V/m ，持續(xù)5分鐘 | B級(jí)，通道3，最大偏離-0.93% | |
| EN和IEC 61000-4-8 | 磁抗擾度 水平天線(xiàn)極化 | A級(jí)，通道3，最大偏離–0.01% |
| 磁抗擾度 垂直天線(xiàn)極化 | A級(jí)，通道3，最大偏離–0.02% |
圖17. DAC通道直流電壓輸出。輻射抗擾度 80MHz至1GHz @ 10V/mH。
圖18. DAC通道1直流電壓輸出。輻射抗擾度 1.4MHz至2GHz @ 3V/mH。
典型系統(tǒng)配置：圖19的照片展示了評(píng)估系統(tǒng)以及如何配置一個(gè)典型系統(tǒng)。輸入通道可接受環(huán)路供電和非環(huán)路供電傳感器輸入，以及標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流和電壓輸入。完整的設(shè)計(jì)采用ADI的轉(zhuǎn)換器、隔離技術(shù)、處理器，以及電源管理產(chǎn)品，使客戶(hù)能夠輕松評(píng)估整個(gè)信號(hào)鏈。
圖19. 工業(yè)控制評(píng)估系統(tǒng)。
評(píng)論