這種分立設(shè)計(jì)方案有很多缺陷：器件數(shù)量多，造成系統(tǒng)復(fù)雜、大的電路板尺寸以及成本；總誤差難以計(jì)算，多個(gè)器件導(dǎo)致誤差度隨著不同極性系數(shù)而變化；這種設(shè)計(jì)不能提供短路檢測(cè)/保護(hù)或者任何故障診斷；不包括許多工業(yè)控制模塊中必需的電壓輸出。添加任何這類(lèi)特性都將會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜性和器件數(shù)量的增加，更好的解決方案是集成上述所有特性的單芯片IC，例如， AD5412/AD5422 這些低成本、高精度的12位/16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。基于這些器件的方案能夠提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，專(zhuān)為滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)。

圖5. AD5422可編程電壓/電流輸出。

輸出電流范圍可編程為：4mA至20 mA、0mA至20mA或者擴(kuò)展的0mA至24mA。電壓輸出由獨(dú)立的引腳提供，輸出范圍可以設(shè)置為：0V至5V、0V至10V、±5V或±10V，并且所有范圍都允許擴(kuò)展10%。模擬輸出具有短路保護(hù)，在發(fā)生錯(cuò)誤接線輸出時(shí)，這是一個(gè)關(guān)鍵特性——例如，用戶(hù)將輸出連接到地而非負(fù)載。AD5422也具有斷路檢測(cè)特性，能夠監(jiān)控電流輸出通道，以確保在輸出和負(fù)載之間沒(méi)有故障發(fā)生。在斷路情況下，F(xiàn)AULT管腳將激活，向系統(tǒng)控制器報(bào)警?？删幊屉娏?電壓輸出驅(qū)動(dòng)器 AD5750 則兼具短路檢測(cè)和保護(hù)特性。

圖6所示為用于PLC評(píng)估系統(tǒng)的輸出模塊。早期的系統(tǒng)一般需要隔離500V至1kV的電壓，而現(xiàn)今通常需要隔離高于2KV的電壓。 ADuM1401 數(shù)字隔離器采用 iCoupler5 技術(shù)，為MCU和遠(yuǎn)端負(fù)載之間，或者輸入/輸出模塊和背板之間提供必要的隔離。ADuM1401的3個(gè)通道在一個(gè)方向上進(jìn)行通信，第4個(gè)通道在相反方向進(jìn)行通信，提供來(lái)自轉(zhuǎn)換器的隔離數(shù)據(jù)回讀。對(duì)于更新的工業(yè)設(shè)計(jì)，ADuM3401 及該系列數(shù)字隔離器的其它產(chǎn)品能夠提供增強(qiáng)的系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)。

圖6. 輸出模塊級(jí)。

AD5422產(chǎn)生自己的邏輯電源(DVCC)，它能被直接連接到ADuM1401的現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，而無(wú)需攜帶邏輯電源通過(guò)隔離勢(shì)壘。AD5422包括一個(gè)內(nèi)部感應(yīng)電阻，但是當(dāng)要求更低的漂移時(shí)，也可采用一個(gè)外部感應(yīng)電阻(R1)。因?yàn)楦袘?yīng)電阻控制輸出電流，其電阻的任何漂移都將影響輸出。內(nèi)部感應(yīng)電阻的典型溫度系數(shù)是15ppm/°C至20ppm/°C，在60°C溫度范圍上會(huì)增加0.12%的誤差。在高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，一個(gè)外部感應(yīng)電阻(2ppm/°C)能被用于保持漂移小于0.016%。

AD5422內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源(最大漂移10ppm/°C)，這個(gè)基準(zhǔn)電壓源在PLC評(píng)估系統(tǒng)中的所有4個(gè)通道上均可被激活。另一個(gè)選擇方案是超低噪聲XFET基準(zhǔn)電壓源 ADR445 它具有0.04%的內(nèi)部精度，溫漂3ppm/°C，可用于兩個(gè)輸出通道，選擇內(nèi)置或是外部基準(zhǔn)電壓取決于總的系統(tǒng)性能需求。

輸入模塊： 輸入模塊的技術(shù)規(guī)格與輸出模塊相似。通常，高分辨率和低噪聲是很重要的。在工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)測(cè)量來(lái)自熱電偶、應(yīng)變計(jì)以及橋式壓力傳感器的低水平信號(hào)時(shí)，通常需要差分輸入信號(hào)，以抑制來(lái)自電機(jī)、交流電力線，或其它的噪聲源(這些噪聲源將噪聲引入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模擬輸入端)的共模干擾信號(hào)。

對(duì)于輸入模塊而言，Σ-Δ型ADC是最受歡迎的選擇，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁└呔燃案叻直媛?。此外，其?nèi)置可編程增益放大器(PGA)可以精確測(cè)量小的輸入信號(hào)。圖7所示為用于評(píng)估系統(tǒng)的輸入模塊設(shè)計(jì)。3通道、24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793 被配置為可提供較大范圍的輸入信號(hào)，例如4mA至20mA、±10V以及直接來(lái)自傳感器的小信號(hào)輸入。

圖7. 輸入模塊設(shè)計(jì)。

這種普遍的輸入設(shè)計(jì)很容易適應(yīng)RTD/熱電偶模塊。如圖所示，每個(gè)輸入通道提供兩個(gè)輸入接線端子。一個(gè)輸入端子直接連到AD7793。用戶(hù)可以對(duì)內(nèi)置PGA進(jìn)行編程，以提供高達(dá)128的模擬增益。第二個(gè)輸入端子使信號(hào)能夠通過(guò)JFET輸入儀表放大器 AD8220 被調(diào)理。這樣，輸入信號(hào)就被削弱、放大，并經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，以提供單端輸入信號(hào)給ADC。除了提供電平轉(zhuǎn)換功能，AD8220還具有非常好的共模抑制特性，這在寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用中很重要。

低功耗、高性能的AD7793功耗小于500μA，而AD8220功耗小于750μA。這個(gè)通道被設(shè)計(jì)為可接受4mA至20mA、0V至5V以及0V至10V的模擬輸入信號(hào)。輸入模塊的其它通道針對(duì)雙極性工作方式設(shè)計(jì)，可接受±5V 和±10V的輸入信號(hào)。

為測(cè)量一個(gè)4mA至20mA輸入信號(hào)，一個(gè)低漂移精密電阻通過(guò)開(kāi)關(guān)(S4)連入電路。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，該電阻的阻值為250Ω，但是，只要產(chǎn)生的電壓在AD8220的輸入范圍內(nèi)，就可以用任意電阻值。在測(cè)量電壓時(shí)，S4保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。

大多數(shù)輸入模塊設(shè)計(jì)都需要隔離。圖7展示了在PLC評(píng)估系統(tǒng)的一個(gè)通道上如何實(shí)現(xiàn)隔離。4通道數(shù)字隔離器ADuM5401 采用isoPower®6 技術(shù)，可提供2.5kV的有效值(RMS)信號(hào)和功率隔離。除了提供4個(gè)隔離的信號(hào)通道，ADuM5401還包含1個(gè)隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的5V、500mW輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)輸入模塊的模擬電路

完整的系統(tǒng)：圖8所示為完整系統(tǒng)的概覽。 ADuC7027 精密模擬微控制器7是主要的系統(tǒng)控制器。其內(nèi)嵌ARM7TDMI內(nèi)核，32位架構(gòu)可輕松實(shí)現(xiàn)該器件與24位ADC的連接。它還支持16位thumb模式，如果需要，可實(shí)現(xiàn)更高的代碼密度。ADuC7027帶有16kB片上閃存，并可外接512kB存儲(chǔ)器。高精度、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)ADP3339 可為微控制器提供穩(wěn)壓電源。

圖8. 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。