可編程邏輯控制器（PLC）是一種基于計(jì)算機(jī)的緊湊電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用數(shù)字或模擬輸入和輸出模塊控制機(jī)械、處理器和其它的控制模塊。PLC能夠接收（輸入）和發(fā)送（輸出）各種類型的電氣和電子信號(hào)，并且使用它們實(shí)際控制和監(jiān)視任何類型的機(jī)械和（或）電氣系統(tǒng)。PLC可按照提供的I/O功能的數(shù)目分類。例如，nano PLC具有不足32個(gè)I/O，micro PLC具有32～128個(gè)I/O，small PLC具有128～256個(gè)I/O等等。典型的PLC系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：PLC系統(tǒng)說明各種I/O模塊功能的體系結(jié)構(gòu)

PLC系統(tǒng)是由輸入模塊、輸出模塊以及輸入和輸出模塊組成。由于許多輸入和輸出包含現(xiàn)實(shí)世界的模擬變量——雖然控制器是數(shù)字的——因此PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要任務(wù)在于滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、輸入和輸出信號(hào)調(diào)理以及輸入輸出模塊的接線與控制器和其它部件之間的隔離的要求。

I/O模塊的分辨率通常在12 bit～16 bit范圍內(nèi)，并且在工業(yè)溫度范圍內(nèi)具有0.1%的精度。模擬輸出電壓范圍為±5 V，±10 V或0 V～5 V，0 V～10 V電源范圍，電流范圍為4 mA～20 mA或0 mA～20 mA。DAC的建立時(shí)間要求根據(jù)應(yīng)用一般在10 µs～100 ms之間變化。模擬輸入范圍對(duì)于電橋傳感器最小為±10 mV，對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器最大為±10 V，或者在工業(yè)控制系統(tǒng)中電流輸入范圍為4 mA～20 mA的。轉(zhuǎn)換速率根據(jù)選擇的ADC體系結(jié)構(gòu)和所要求的精度決定，從10次每秒采樣（SPS）到數(shù)百次每秒千次采樣（kSPS）之間變化。

數(shù)字隔離器——光耦合器或電磁隔離器——用于系統(tǒng)將現(xiàn)場端的ADC、DAC和信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字端的控制器隔離。如果在模擬端也必須對(duì)系統(tǒng)完全隔離，那么在每一個(gè)輸入或輸出通道都需要有一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以達(dá)到最大程度的通道隔離——并且需要通過變壓器或ADI公司的isoPower™¹技術(shù)的隔離電源。

iCMOS™工藝
ADI公司采用PLC輸入和輸出部分的許多產(chǎn)品都受益于iCMOS工藝²，這是一種將亞微米CMOS工藝和互補(bǔ)雙極性工藝與高電壓硅硅工藝結(jié)合在一起的高性能制造工藝。

這種強(qiáng)大的組合允許單芯片設(shè)計(jì)成將5 V的CMOS電路和16 V、24 V或30 V高電壓CMOS電路混合和匹配——為同一芯片提供多個(gè)電壓源。鑒于這種器件組成和工作電壓的靈活性，亞微米iCMOS器件能夠提高性能、增加集成的功能并且降低功耗——因此需要比前幾代高電壓產(chǎn)品顯著減小封裝尺寸。雙極性工藝可為ADC、DAC和低失調(diào)電壓放大器提供精密的基準(zhǔn)電壓源、優(yōu)良的電阻匹配精度和高穩(wěn)定性。

具有12 bit初始匹配精度、16 bit微調(diào)匹配精度以及溫度和電壓系數(shù)比傳統(tǒng)多晶硅電阻器高20倍的薄膜電阻器適合于高精密、高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。內(nèi)置薄膜熔絲允許使用數(shù)字技術(shù)校準(zhǔn)高精密轉(zhuǎn)換器的積分線性誤差（INL）、失調(diào)電壓和增益。

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)行機(jī)構(gòu)、閥門和電機(jī)——使用標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸出范圍，例如±5 V，±10 V，0 V～5 V，0 V～10 V，4 mA～20 mA或0 mA～20 mA。模擬輸出信號(hào)鏈路通常包括數(shù)字隔離——隔離來自DAC和模擬信號(hào)調(diào)理電路的控制器的數(shù)字輸出。數(shù)字隔離系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器主要使用3線或4線串行接口以最大程度減少所需的數(shù)字隔離器或光耦合器數(shù)目。

在PLC系統(tǒng)模擬輸出模塊中通常使用兩種體系結(jié)構(gòu)：每通道DAC配置和每通道采樣保持配置。第一種體系結(jié)構(gòu)在每一個(gè)通道使用專用DAC以產(chǎn)生其模擬控制電壓或電流。雖然可提供多種多通道DAC可以節(jié)省每通道的成本和外形尺寸，但是通道之間需要隔離，所以通常使用單通道DAC。圖2所示是典型的每通道DAC配置。最簡單的DAC是低電壓單電源供電DAC，采用2.5 V～5.5 V電源電壓范圍， 提供0 V～VREF輸出范圍�？蓪�(duì)它們的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以產(chǎn)生各種需要的電壓或電流范圍。需要雙電源供電的雙極性輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是為必須提供雙極性輸出電壓范圍的輸出模塊提供的。

圖2：每通道DAC配置體系結(jié)構(gòu)

表I示出選擇適合PLC輸出模塊應(yīng)用的16 bit多通道DAC。這些產(chǎn)品可提供雙極性或單極性輸出范圍，具有10 µs的建立時(shí)間。該系列的其它成員，可提供引腳與16 bit兼容的12 bit～14 bit分辨率版本——從而允許無需硬件改變直接從12 bit升級(jí)到16 bit鏈路，只需最小軟件修改。這些DAC的大多數(shù)都集成了內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源，從而可提供全集成的輸出解決方案。

四DAC非常適合于非隔離的多通道輸出設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)通過使用外部信號(hào)調(diào)理電路能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)四個(gè)不同的輸出配置。例如，圖3示出AD5664R³ 16 bit電壓輸出四DAC如何提供規(guī)定的0 V～5 V輸出范圍——或者連接到用于多種標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓范圍或使用外部四運(yùn)算放大器的灌電流輸出。在雙極性輸出配置中，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的外部輸出可提供必需的跟蹤失調(diào)電壓。AD5664R采用5 V單電源供電，包含一個(gè)內(nèi)部2.5 V、5 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源，并且采用3 mm×3 mm LFCSP超小封裝。

圖3：使用多通道DAC提供±5 V，±10 V ，0 V～10 V，0 V～5 V和灌電流輸出

圖4示出在隔離的4 mA～20 mA電流環(huán)控制電路中采用的單通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器。AD5662⁴采用SOT-23封裝，非常適合需要模擬輸出之間完全隔離的應(yīng)用。

圖4：4 mA～20 mA的電流控制電路

AD5662的最大輸出電壓范圍是5 V，AD5662由ADR02⁵提供基準(zhǔn)電壓，ADR02由可變環(huán)路電壓提供穩(wěn)壓電源。使用一只運(yùn)算放大器和晶體管電路可將該DAC的5 V輸出范圍轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA電流輸出。由于運(yùn)算放大器的同相輸入（N1）是虛地的，因此運(yùn)算放大器可調(diào)節(jié)電流IS以保持通過RS和R3兩端的電壓降相等，從而

N2端的總電流提供環(huán)路電流，

N1端的電流相加得：

環(huán)路電流的4 mA失調(diào)分量由基準(zhǔn)電壓源提供：

環(huán)路電流的可設(shè)置0 mA～16 mA分量由DAC提供：

每通道的采樣保持配置
另一種體系結(jié)構(gòu)使用開關(guān)電容器和緩存器作為采樣保持放大器（SHA）以存儲(chǔ)從一個(gè)高性能DAC獲得的輸出采樣，如圖5所示。其使用一個(gè)模擬復(fù)用器對(duì)不同電容器的模擬信號(hào)進(jìn)行切換采樣。由于系統(tǒng)的保持精度由電容器的下降速率決定，因此需要經(jīng)常刷新通道以保持要求的精度。根據(jù)輸出要求，DAC可以是低電壓單電源DAC或者雙極性輸出DAC。提供信號(hào)調(diào)理的緩沖器對(duì)電容器呈現(xiàn)高輸入阻抗并且對(duì)驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載呈現(xiàn)低輸出阻抗。

圖5：單DAC體系結(jié)構(gòu)

表II示出選擇具有4 µs～10 µs滿度建立時(shí)間的單通道16 bit DAC。它們采用超小表面貼封裝形式供貨，非常適合于采樣保持輸出體系結(jié)構(gòu)。

開關(guān)和多路復(fù)用器
對(duì)于要求具有低尖峰毛刺和低注入電荷（Q_INJ）的低電容開關(guān)的采樣保持和其它數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，采用iCMOS工藝的ADG12xx和ADG13xx 系列±15 V開關(guān)和多路復(fù)用器系列非常有用。

對(duì)于要求具有極低導(dǎo)通電阻（R_ON）的其它應(yīng)用，ADG1408和ADG1409 ±15 V多路復(fù)用器可在全部信號(hào)范圍內(nèi)提供9 Ω最大值的R_ON。除了具有低R_ON外，它們優(yōu)良的電阻均勻性（和電壓均勻性）使它們成為要求低失真以達(dá)到可靠、可預(yù)測電路性能應(yīng)用的理想解決方案。

表III列出了選擇iCMOS開關(guān)和多路復(fù)用器所需的電容、Q_INJ和R_ON，并且將它們與流行的早期產(chǎn)品ADG508和ADG509進(jìn)行了比較。

用于電源和數(shù)字信號(hào)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，從各種傳感器將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到中央控制器以便處理和分析。為了在用戶接口處保持安全電壓并且防止瞬態(tài)電流損害從信號(hào)源發(fā)送的信號(hào)，我們需要進(jìn)行電隔離。最常用的隔離器件是光耦合器、基于變壓器的隔離器和電容耦合隔離器。

常用的光耦合器包括發(fā)光二極管（LED）——將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光強(qiáng)度，以及光電二極管——將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回到電信號(hào)。通常，它們的LED轉(zhuǎn)換效率很低，并且光電二極管的響應(yīng)速度很慢；總之，光耦合器趨向于壽命有限并且其性能隨溫度、速度和功耗變化過大。它們通常限于一個(gè)或兩個(gè)通道配置并且需要外部元件構(gòu)成完整的功能。

ADI公司已經(jīng)開發(fā)出了新的隔離新方案，將芯片級(jí)變壓器技術(shù)與集成的CMOS輸入和輸出電路集成在一起。這種iCoupler®系列隔離器件易于使用——比光耦合器減小了封裝尺寸、降低了成本并且降低了功耗。iCoupler器件可提供多種通道配置和性能級(jí)別以及標(biāo)準(zhǔn)的CMOS接口，從而無需外部元件——提供隨溫度和電源電壓變化性能穩(wěn)定、長壽命、高性能性隔離器。ADuM2400⁶四隔離器是典型iCoupler隔離IC，它帶接口和耦合變壓器，如圖6所示。

圖6：ADuM2400四隔離器框圖

iCoupler器件的數(shù)據(jù)速率和時(shí)序指標(biāo)比常用的高速光耦合器快兩到四倍——它們的工作功耗僅為光耦合器的1/50，同時(shí)相應(yīng)地降低熱功耗、提高可靠性并且降低成本。表IV示出可提供的通道配置選擇。

在完全隔離系統(tǒng)中提供從系統(tǒng)端到場端的隔離電源是新興解決方案要解決的另一個(gè)難題。通過隔離阻障傳遞電源所使用的傳統(tǒng)技術(shù)包括分立的、體積相當(dāng)大的、昂貴的DC/DC變換器或者難于設(shè)計(jì)和連接的分立封裝。當(dāng)前提供的一種高達(dá)50 mW最新、最好的方法是采用一種完整的集成隔離解決方案，包括使用微變壓器通過隔離阻障傳遞信號(hào)和電源。ADuM524x isoPower系列產(chǎn)品可在單芯片內(nèi)提供耐壓高達(dá)5 kV的信號(hào)隔離和電源隔離——從而無需獨(dú)立、隔離的供電電源，所以顯著節(jié)省了總隔離系統(tǒng)成本、PCB面積要求和設(shè)計(jì)時(shí)間。典型的器件如圖7所示。全部產(chǎn)品都經(jīng)過UL，CSA和VDE安全認(rèn)證。

圖7：集成了DC/DC變換器的ADuM5242⁷雙通道隔離器框圖（0/2通道方向性）

PLC輸入模塊
為PLC系統(tǒng)體系選擇體系結(jié)構(gòu)和輸入模塊產(chǎn)品取決于需要監(jiān)視的輸入信號(hào)的幅度。來自各種類型傳感器和需要監(jiān)視的過程控制變量信號(hào)應(yīng)在±10 mV～±10 V輸入信號(hào)范圍內(nèi)。表V示出了一些對(duì)信號(hào)源及其典型輸入范圍的要求。

表V：模擬輸入模塊的低幅度信號(hào)范圍

輸入	±10 mV	±25 mV	±50 mV	±80 mV	±0.25 V	±0.5 V	±1 V	±1.25 V	±2.5 V	±5 V	±10 V
應(yīng)變計(jì)
熱電偶 K
T
J
N
E
R
S
B
U
L
電阻器 48 Ω
150 Ω
300 Ω
600 Ω
6 kΩ
RTD Cu10 Std
Ni St/Kl						Ni100	Ni120/200		Ni500	Ni1000
Pt Std							Pt100		Pt200	Pt500	Pt1000
空調(diào)					Pt100	Pt200		Pt500	Pt1000

工業(yè)和PLC應(yīng)用可采用多種ADC——包括逐次逼近（SAR）式ADC、閃存或全并行ADC、積分式ADC（包括Σ-Δ ADC）以及斜坡或計(jì)數(shù)式ADC。選擇適合某種應(yīng)用的ADC主要由輸入傳感器所需要的輸入信號(hào)范圍——以及所要求的精度、信號(hào)頻率、最大信號(hào)幅度和動(dòng)態(tài)范圍決定。最廣泛使用的體系結(jié)構(gòu)是SAR和Σ-Δ ADC。

SAR型ADC以高吞吐率提供12 bit～18 bit的分辨率；它們非常適合多通道多路復(fù)用應(yīng)用，即需要以相當(dāng)高的采樣速率監(jiān)測多個(gè)輸入通道的應(yīng)用場合。

Σ-Δ 體系結(jié)構(gòu)可提供16 bit～24 bit分辨率。它們采用過采樣和數(shù)字濾波技術(shù)達(dá)到高分辨率和高精度——但其吞吐率比SAR型ADC低。Σ-Δ體系結(jié)構(gòu)通常包含模擬前端前端可編程增益放大器（PGA）；在每通道ADC應(yīng)用中，這允許在傳感器和ADC之間直接連接——無需信號(hào)調(diào)理。

當(dāng)測量來自熱電偶、應(yīng)變計(jì)和橋式壓力傳感器的小幅度信號(hào)時(shí)，主要要求是完成差分測量以抑制共模干擾的能力并且在有噪聲環(huán)境下提供比較穩(wěn)定的讀數(shù)信號(hào)的能力。例如在工業(yè)應(yīng)用中，差分輸入用于消除來自電機(jī)、交流（AC）電源線或（將噪聲引入ADC的模擬輸入端的）噪聲源的共模噪聲或干擾。

單端輸入是一種降低成本的方法。對(duì)于相同數(shù)量的輸入引腳，它可提供兩倍的輸入通道數(shù)，因?yàn)槊總�(gè)通道僅需要一個(gè)模擬輸入端并且都以相同的接地端做參考端。它們主要用于大信號(hào)幅度、低噪聲和穩(wěn)定共模地的應(yīng)用場合。

圖8示出隔離的PLC輸入模塊分立解決方案中所包括的許多功能電路——包括激勵(lì)和輸入信號(hào)調(diào)理電路、用于處理多路輸入信號(hào)帶故障保護(hù)的多路復(fù)用器、PGA和ADC。上述許多功能電路以前都采用單獨(dú)的IC和無源元件實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在可提供全集成和全功能解決方案——帶ADC和模擬前端的IC。

圖8：典型分立的PLC輸入模塊包含的功能

例如，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源的AD761x（16 bit）和AD763x（18 bit）的iCMOS PulSAR® ADC系列可提供可設(shè)置輸入電壓范圍（0 V～5 V，0 V～10 V，±5 V和±10 V），從而允許設(shè)計(jì)工程師動(dòng)態(tài)改變輸入范圍。對(duì)于這些器件，所有的切換通過內(nèi)部寄存器完成，從而避免了數(shù)據(jù)延遲并且改進(jìn)了通道切換速度。表VI示出非常適合PLC應(yīng)用的16 bit或18 bit PulSAR 系列ADC選擇表。

另一個(gè)高度集成度ADC的實(shí)例為AD7792/AD7793/AD7794/AD7795/AD7798/AD7799 Σ-Δ ADC系列。該系列采用超小型TSSOP封裝，除了具有超低噪聲（40 nV）和低功耗（400 µA）外特性外，還可提供內(nèi)置PGA（1～128增益）、基準(zhǔn)電壓源、傳感器激勵(lì)電流源和時(shí)鐘。極低噪聲和低功耗的完美結(jié)合使其適合于要求高精度測量的應(yīng)用。

在許多應(yīng)用中，這些ADC可直接連接到傳感器接口，例如PLC、溫度測量、電子秤、壓力和流量測量以及通用測量設(shè)備。它們的更新速率可在4 Hz～500 Hz之間設(shè)置，并且對(duì)選擇的更新速率提供50 Hz和60 Hz信號(hào)的同步抑制。表VII示出AD779x系列ADC所提供的特性和功能。

圖9示出使用AD7794和AD7795測量來自橋接傳感器和基于電阻的溫度傳感器的輸入信號(hào)的典型配置。

圖9：AD7794和AD7795實(shí)現(xiàn)低電壓測量

當(dāng)在PLC和工業(yè)I/O應(yīng)用中需要對(duì)帶故障保護(hù)功能高達(dá)±10 V輸入電壓進(jìn)行高精密模擬信號(hào)測量時(shí)并且為多通道提供高吞吐率是至關(guān)重要的應(yīng)用場合，AD7732（兩個(gè)全差分輸入通道），AD7743（四個(gè)單端輸入通道）和AD7738（四個(gè)全輸入或八個(gè)單端輸入通道）理想的選擇。

圖10示出使用AD7743測量PLC和過程控制應(yīng)用中常見的高幅度信號(hào)的典型配置。當(dāng)模擬前端采用5 V模擬單電源，具有四個(gè)單極性單端輸入通道或高達(dá)±10 V的真雙極性輸入范圍。該器件可接收±16.5 V的模擬輸入過電壓而不會(huì)降低相鄰?fù)ǖ赖男阅�，并且可以發(fā)送過范圍和欠范圍電壓信號(hào)。

圖10：使用AD7734實(shí)現(xiàn)高電壓信號(hào)采集

基準(zhǔn)電壓源
在一些PLC應(yīng)用中，穩(wěn)定、精密、低噪聲獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓源非常重要。表VIII列出了多種可選的高性能基準(zhǔn)電壓源，包括從用于高端工業(yè)應(yīng)用的高精度、低噪聲IC到用于手持式電池供電應(yīng)用的通用、低功耗器件。

放大器（儀表放大器和運(yùn)算放大器）
儀表放大器（in-amp）測量兩個(gè)輸入電壓的差值（同時(shí)抑制兩個(gè)輸入端的任何共模信號(hào)），施加固定或可設(shè)置增益，并且提供在參考端施加偏移電壓的單端輸出。由于不充分的共模抑制（CMR）會(huì)在輸出端產(chǎn)生很難消除的很大的時(shí)變誤差，因此當(dāng)代的儀表放大器可提供80 dB～120 dB的直流（DC）和低頻CMR。儀表放大器可提供從傳感器以及數(shù)據(jù)采集、PLC和工業(yè)過程控制應(yīng)用中提取微弱信號(hào)的重要功能。像所有的DC放大器一樣，儀表放大器必須具有低DC失調(diào)電壓和失調(diào)電壓溫度漂移。

AD8220⁸是一款通用性很強(qiáng)的典型儀表放大器，它可用于多種應(yīng)用，例如傳感器之間的信號(hào)調(diào)理——例如應(yīng)變計(jì)——以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用、可編程邏輯控制器、數(shù)據(jù)采集卡和模擬I/O卡中的ADC。它可提供1～1000的電阻可設(shè)置增益、具有80 dB CMR、1 mV失調(diào)電壓以及10 µV/°C溫度偏移。

結(jié)束語
PLC工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不斷要求在減小PCB面積，降低成本的同時(shí)提高性能并且增加功能。為了提供能夠滿足這些嚴(yán)格要求的集成電路并且與信號(hào)鏈路中所有重要模塊相媲美，ADI公司研發(fā)出了新的取得重大突破的制造工藝。iCMOS工藝技術(shù)將高電壓硅工藝與亞微米CMOS工藝和補(bǔ)償?shù)碾p極性工藝結(jié)合在一起以生產(chǎn)出采用超小封裝，降低成本，提高性能并且能在30 V電壓下工作（許多工業(yè)應(yīng)用都需要的）的模擬IC。iCoupler隔離技術(shù)基于芯片級(jí)變壓器——而不是LED和光電二極管——可以使用CMOS半導(dǎo)體功能集成以適合低成本隔離。iPolar溝道隔離工藝允許高達(dá)±18 V的電源電壓并且其性能比傳統(tǒng)雙極性放大器顯著地改進(jìn)，同時(shí)將功耗降低一半——封裝尺寸為傳統(tǒng)放大器的75%。這些工藝能夠滿足現(xiàn)有的需求——并且具有非常好的發(fā)展前景。

表I. 適合每通道DAC配置應(yīng)用的16 bit多通道DAC

表II. 單通道16 bit DAC

表III. iCMOS開關(guān)和多路復(fù)用器

表IV. 數(shù)字隔離器

表VI. 可設(shè)置輸入范圍的16 bit或18 bit PulSAR 系列ADC

表VII. AD779x Σ-Δ ADC系列提供的功能

表VIII. 基準(zhǔn)電壓源

表IX. PLC和模擬信號(hào)調(diào)理應(yīng)用中常用的單通道放大器

表X. PLC和模擬信號(hào)調(diào)理應(yīng)用中常用的多通道高電源電壓放大器