怎么將PLC數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓？

【專家解說】：可編程邏輯控制(PLC)是一種基于計算機(jī)的緊湊的電子系統(tǒng)，它使用數(shù)字或者模擬輸入/輸出模塊來控制機(jī)器、工藝和其他控制模塊。PLC能夠接收(輸入)和發(fā)送(輸出)各種不同類型的電氣和電子信號，并利用它們來控制和監(jiān)測幾乎任何一種機(jī)械和/或電氣系統(tǒng)。PLC可以按照所能提供的I/O功能來分類。例如，一個nano PLC具備的I/O數(shù)少于32路，一個micro PLC的I/O數(shù)在32和128路之間，而小型PLC的I/O數(shù)則達(dá)到了128～256，其余依此類推。圖1描繪典型的PLC系統(tǒng)。 圖1 PLC系統(tǒng)架構(gòu)，示出了各種不同的I/O模塊功能 PLC系統(tǒng)包含輸入模塊、輸出模塊和輸入/輸出模塊。因為許多輸入和輸出都涉及現(xiàn)實世界中的模擬變量——而控制器是數(shù)字式的—PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計任務(wù)將主要圍繞如下方面展開：數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、輸入和輸出信號調(diào)理、輸入/輸出模塊的電氣連線與控制器之間以及模塊相互之間的隔離問題。 I/O模塊的分辨率范圍從12位到16位，在整個工業(yè)級溫度范圍的精度為0.1%。模擬輸出電壓范圍通常為±5V、±10V或者0V~5V、0V~10V，電流范圍為4~20mA或0~20mA。對DAC的穩(wěn)定時間要求，從10ms一直到100ms，具體則取決于應(yīng)用的實際要求。模擬輸入范圍廣泛，由電橋傳感器輸出的±10mV微弱電壓信號;也有電機(jī)控制器±10V的電壓信號，或者工業(yè)過程控制系統(tǒng)的4~20mA電流。轉(zhuǎn)換時間則取決于所要求的精度和所選用的ADC架構(gòu)，從10SPS到幾百KSPS。 數(shù)字隔離器、光耦隔離器或者電磁隔離器用來將系統(tǒng)現(xiàn)場的ADC、DAC和信號調(diào)理電路與數(shù)字端的控制器隔離開來。如果模擬端的系統(tǒng)也必須實現(xiàn)充分隔離的話，在輸入或者輸出的每個通道必須采用轉(zhuǎn)換器以便最大限度提高通道間的隔離度—電源的隔離也是必需的。 iCMOS 工藝 iCMOS技術(shù)是一種新型的高性能制造工藝，它將高壓的集成電路與亞微米級CMOS和互補(bǔ)雙極型工藝融為一體，在PLC設(shè)計的輸入、輸出部分所使用。 iCMOS技術(shù)使得單芯片的設(shè)計能夠融合5V CMOS并實現(xiàn)其與電壓更高的(16、24或者30V)CMOS電路的匹配——于是同一塊芯片將擁有多路不同電壓的電源。由于能夠如此靈活地將各種元件和工作電壓集成到一起，亞微米的iCMOS 器件具有更高的性能，其集成的功能更多，而功耗更低——而且所需要的電路板面積大大小于前幾代高壓產(chǎn)品。其中的雙極型工藝為ADC、DAC和低失調(diào)放大器提供了精確的基準(zhǔn)源，出色的匹配特性和高度的穩(wěn)定性。 薄膜電阻具有高達(dá)12位的初始匹配特性，經(jīng)過修調(diào)后可以實現(xiàn)16位的匹配，溫度和電壓系數(shù)與傳統(tǒng)的多晶硅的電阻相比，改善了20倍，是高準(zhǔn)確度、高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的理想選擇。片上的薄膜熔斷器使得高精度轉(zhuǎn)換器的積分非線性、偏置和增益等性能可以用數(shù)字化的技術(shù)來校準(zhǔn)。 PLC 輸出模塊 PLC系統(tǒng)的模擬輸出——通常用于控制工業(yè)環(huán)境中的執(zhí)行器、閥和電機(jī)——使用了標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸出范圍，如±5、±10V、0V～5V、0V～10V、4～20mA或者0～20mA。模擬輸出的信號鏈常常包括了數(shù)字隔離——將控制器的數(shù)字輸出與DAC和模擬信號調(diào)理部分隔離開來。在數(shù)字化隔離的系統(tǒng)中所使用的轉(zhuǎn)換器主要使用3線或者4線串行接口來最大限度減小所要求的數(shù)字隔離器或者光耦隔離器的數(shù)量。 PLC系統(tǒng)的模擬輸出模塊通常采用兩種架構(gòu)：每個通道一個DAC的架構(gòu)和每個通道一個采樣保持器的架構(gòu)。第一種架構(gòu)中，每個通道使用一個專用的DAC來產(chǎn)生模擬控制電壓或者電流?，F(xiàn)在有許多多通道DAC可供選擇，在空間占用上更少，通道單位成本更低，但那些需要通道相互隔離的往往采用了單通道DAC架構(gòu)。圖2是每通道使用一個DAC的典型配置。這種最簡單DAC是低壓單電源型的，采用2.5V~5.5V電源供電，輸出范圍是0~VREF，輸出信號經(jīng)過調(diào)理后可以產(chǎn)生所需的任意電壓或者電流范圍。雙極性輸出轉(zhuǎn)換器采用雙電源供電，可以用于必須輸出雙極性電壓范圍的輸出模塊。 圖2 每通道一個DAC的架構(gòu) 四路D/A轉(zhuǎn)換器是非隔離型的多通道輸出設(shè)計的理想選擇，通過外接信號調(diào)理電路的方法可以實現(xiàn)多達(dá)4路的不同的輸出配置。例如，圖3示出了16bit 4路電壓輸出型DACAD5664R是如何提供0～5V的輸出范圍的——它也可以通過不同的連接方式提供各種標(biāo)準(zhǔn)所需的輸出電壓范圍，或者通過外接的四運(yùn)放構(gòu)成灌電流輸出。在配制成雙極性輸出時，其內(nèi)部基準(zhǔn)源的對外輸出可以提供必要的跟蹤偏置電壓。 圖3 利用多通道D/A變換器實現(xiàn)±5V、±10V、0V~10V、0V~5V等電壓和電流沉輸出 圖4示出了隔離4~20mA電流環(huán)控制電路中所使用的一個單通道轉(zhuǎn)換器。AD5662采用SOT-23封裝，適用于那些需要在模擬輸出之間充分隔離的應(yīng)用。 圖4 一個4～20mA電流控制電路 圖4 中，AD5662最大的輸出電壓擺幅為5V，該電壓由ADR02電壓基準(zhǔn)來提供，它可以從變化的回路電壓中穩(wěn)壓出一路精密的電源。5V的DAC輸出則通過一個運(yùn)算放大器和晶體管構(gòu)成的混合電路轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出。因為運(yùn)算放大器的同向端輸入處于虛地電位，運(yùn)放就可以調(diào)節(jié)電流Is，以維持在RS和R3上的電壓相等的關(guān)系，于是有 RSIS=R3I3 N2端的電流的總和構(gòu)成了環(huán)路電流： 電流在N1點相加，于是有： 環(huán)路電流中的4mA的偏移分量是由基準(zhǔn)電壓所提供： 環(huán)路電流中可編程0~16mA電流則是由DAC提供： 每通道配置采樣-保持電路 另一種可選的架構(gòu)是利用開關(guān)電容和緩沖器來構(gòu)成采樣-保持放大器(HA)，以儲存高性能單DAC的輸出信號，如圖5所示。這些采樣值通過模擬多路復(fù)用器在不同的電容器之間切換。因為系統(tǒng)的保持精度由電容的下降速率所決定，所以需要對這些通道進(jìn)行頻繁的刷新以維持所需要的精度。根據(jù)輸出的要求，可采用低壓單電源DAC，也可以使用雙極性輸出DAC。緩沖器可以提供信號調(diào)理，對電容而言呈現(xiàn)一個很高的輸入阻抗，并能提供很低的輸出阻抗，以驅(qū)動負(fù)載。 圖5 單DAC架構(gòu) 電源和數(shù)字信號的電流隔離 在PLC、過程控制、數(shù)據(jù)采集以及控制系統(tǒng)中，各種傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號都傳送到一個中央控制器，進(jìn)行處理和分析。為了保證用戶接口端電壓的安全性，也為了防止瞬態(tài)尖峰的傳輸，需要實現(xiàn)電流隔離。最常用的隔離器件是光耦器、基于變壓器的隔離器和電容耦合式隔離器。 通用的光耦器利用發(fā)光二極管(LED)來將電氣信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的光強(qiáng)度，并用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。一般說來，它們的LED普遍存在轉(zhuǎn)換效率低的問題，而且光電探測器的響應(yīng)速度較慢;光耦隔離器的壽命有限，隨著溫度、工作速度和功耗的變化而會出現(xiàn)過大的性能波動。它們一般局限于1或2通道結(jié)構(gòu)，需要外接元件才能實現(xiàn)完整的功能。 ADI目前開發(fā)出一種新的隔離方法，它將芯片級的變壓器技術(shù)與集成化的CMOS輸入與輸出電路結(jié)合起來。這些 iCoupler 器件在尺寸、成本和功耗方面都低于光耦隔離器，同時，有多種多樣的通道配置和性能水平，并帶有標(biāo)準(zhǔn)的CMOS接口，且無需外接元件——且能在全溫度、電源范圍和壽命期中保持其高性能和穩(wěn)定性。iCoupler的數(shù)據(jù)率和定時精度比常見的高速光耦合器高2～4倍，而它們用的功耗僅為光耦合器的1/50，發(fā)熱更小，而可靠性得以提高，成本則更低。