完整、高分辨率和多功能雙極性DAC易于使用的通用解決方案

作者：Estibaliz Sanz Obaldia and Junifer Frenila

隨著當前的市場動態(tài)不斷朝著更短的設計周期、增強的系統(tǒng)功能和更便攜的終端系統(tǒng)的方向發(fā)展，必須采用新的方法來簡化這些挑戰(zhàn)，而不會增加設計復雜性。本文 將 解決 控制 和 測量 的 一些 關(guān)鍵 系統(tǒng) 挑戰(zhàn)， 這些 挑戰(zhàn) 是 眾多 應用 的 熱門 主題， 包括 數(shù)據(jù) 采集 系統(tǒng)、 工業(yè) 自動化、 可 編 程 邏輯 控制器 和 電機 控制。它將探討雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）架構(gòu)的最新進展，以及這些拓撲如何應對終端系統(tǒng)挑戰(zhàn)，例如在相同或更小的空間內(nèi)添加更多功能和智能。本文將探討離散和功能更完整的解決方案。最后，它將概述傳統(tǒng)設計拓撲的許多替代方案，這些替代方案支持更高的設計重用和系統(tǒng)模塊化靈活性。

應該注意的是，下圖不是實際的原理圖，而是有關(guān)如何使用多功能DAC和其他組件實現(xiàn)應用的插圖。雖然它不包括電源電路、旁路和其他無源元件等方面，但這些圖表說明了如何實現(xiàn)一般應用。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAQ） 用于使用微控制器或微處理器 （MPU） 測量電氣或物理奇異點，例如電壓、電流或壓力，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理能力。DAQ 由 傳感器、 放大器、 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換 器 和 帶 嵌入式 軟件 的 控制器 組成， 用于 控制 采集 過程。

在過程控制應用中，傳感器的靈敏度足以保持待測信號的質(zhì)量至關(guān)重要。但即使傳感器足夠靈敏，增益和失調(diào)等信號鏈誤差仍可能干擾信號質(zhì)量。高性能應用采用DAC自動校準數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的調(diào)理電路。圖1顯示了壓力傳感系統(tǒng)的框圖。它說明了AD5761R等雙極性DAC及其產(chǎn)品系列如何用于自動增益和失調(diào)校準方案。

精密橋式傳感器接收來自壓力傳感器的激勵信號并產(chǎn)生輸出電壓。由于換能器信號的幅度較低，儀表放大器通常用作信號倍增器。這種低幅度信號容易出錯。此類誤差通常是由溫度變化引起的漂移、電路板上的寄生誤差以及無源元件的容差引起的。

使用AD5761R，可以在系統(tǒng)中實現(xiàn)增益和失調(diào)校準，以便在系統(tǒng)隨時間推移運行時動態(tài)校正誤差。根據(jù)調(diào)整水平和所需的極性，完整的高分辨率多功能雙極性DAC可以大大簡化校準過程。AD5761R可通過高速4線SPI接口進行編程，并提供串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）線，以方便菊花鏈和回讀操作。

圖1.壓力傳感系統(tǒng)的自動校準。

工業(yè)自動化

工業(yè)自動化的應用多種多樣。但是，無論存在何種應用，此類自動化系統(tǒng)的功能和性能都取決于其信號采集和控制單元。在采集方面，傳感器的靈敏度、調(diào)理電路的適應性以及從低電平信號中獲取正確信息的速度非常重要。在控制方面，適應各種執(zhí)行器和驅(qū)動器要求的靈活性至關(guān)重要。

圖2顯示了一個工業(yè)自動化系統(tǒng)的示例。具有冷端補償?shù)臒犭娕加糜跍y量激光機或重型電機等工業(yè)設備的溫度。電壓被收集、濾波并發(fā)送到集成模擬前端（AFE）IC進行轉(zhuǎn)換，數(shù)字數(shù)據(jù)被傳遞到處理器進行分析。根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，處理器向控制DAC發(fā)送信號，該DAC也是完全隔離的，以驅(qū)動工業(yè)風扇，激活帕爾貼等冷卻設備，或打開水冷系統(tǒng)的閥門。此外，用戶可以通過控制接口設備輸入覆蓋命令。

壓力和振動測量和控制可以采用相同的系統(tǒng)。壓力傳感器系統(tǒng)通常用于油罐和化學品罐監(jiān)測，而陀螺儀系統(tǒng)通常可用于快速移動機頭的振動監(jiān)測。這些應用程序共享與外部環(huán)境完全隔離的同一 AFE。

AD5761R是一款高電壓、高分辨率、雙極性DAC，具有低漂移內(nèi)部基準電壓源和軟件可選輸出范圍，是多個DAC或單個多路復用DAC的實用替代品。它提供單極性和雙極性電壓，同時通過超量程輸出選項保持相同的精度。該雙極性DAC支持執(zhí)行器所需的不同需求，包括通過軟件調(diào)整控制單元，避免硬件修改。

AD5761R及其產(chǎn)品系列采用小型封裝（3 mm×3 mm引線框架芯片級封裝（LFCSP）和16引腳薄型收縮外形封裝（TSSOP），支持–55°C至+125°C的寬工作溫度范圍。 這種新的工業(yè)控制方法基本上有助于最大限度地減少電路板空間并降低成本。

圖2.工業(yè)自動化系統(tǒng)的簡化圖。

可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器 （PLC） 包含電源、中央處理單元以及多個模擬和數(shù)字 I/O 模塊，用于控制、驅(qū)動和監(jiān)控復雜的機器變量。PLC 廣泛應用于各行各業(yè)，它們具有擴展的溫度范圍、抗電噪聲能力以及抗振動和抗沖擊性。基本過程控制系統(tǒng)構(gòu)建模塊如圖3所示。報告過程變量狀態(tài)的輸入信號通過輸入模塊進行監(jiān)控，并傳輸?shù)?a target="_blank">MCU進行分析。根據(jù)該分析的結(jié)果，輸出模塊管理包含必要安排的響應，以控制系統(tǒng)中的設備。

圖3.過程控制系統(tǒng)構(gòu)建塊。

圖4顯示了一個更完整的工業(yè)PLC系統(tǒng)，包括一個嵌入式控制器/處理器作為主系統(tǒng)控制器與完全隔離的輸入和輸出模塊接口。除電源模塊外，系統(tǒng)分為四個子系統(tǒng)，分別區(qū)分模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和模擬輸出模塊。部署了幾種類型的傳感器來獲取不同幅度和頻率的模擬信號。這些信號需要經(jīng)過預處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式以供進一步分析。可編程增益放大器對小輸入信號進行調(diào)理，以便通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對其進行精確測量并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。需要隔離以保護控制器或處理器免受來自現(xiàn)場的意外過壓的影響，為此，在處理器和輸入輸出模塊之間放置了光學或集成隔離器。

圖4.完整PLC系統(tǒng)的框圖。

輸入和輸出模塊的精度和分辨率要求相當不同。雖然需要輸入模塊來監(jiān)控過程中的高精度和準確的數(shù)據(jù)采集，但在高端應用中，輸出模塊基本上以16位分辨率和精度調(diào)整輸出。由于這些條件，Σ -Δ ADC通常用于PLC系統(tǒng)中的輸入模塊，市場上有各種隔離式、單通道/多通道和同步采樣ADC。

輸出模塊可提供精密電壓DAC、精密電流DAC或兩者的組合。有幾種方法允許為PLC的模擬輸出生成電流和電壓電平。AD5761R等精密雙極性DAC的發(fā)展提供了額外的功能和高集成度，大大降低了PLC系統(tǒng)的復雜性、電路板尺寸和成本。

電機控制

DAC在電機控制環(huán)路中執(zhí)行不可或缺的功能;例如，在輸液泵系統(tǒng)中。輸液泵廣泛用于人類醫(yī)療保健，為所有年齡段的患者提供醫(yī)療服務。輸液泵的作用是以間歇性或連續(xù)性的方式向患者的心血管系統(tǒng)輸送液體、藥物或補充劑。

盡管輸液泵需要合格的用戶對治療的特定參數(shù)進行編程，但與手動給藥相比，其相關(guān)優(yōu)勢會影響提高用戶的信心。這些儀器能夠在自操作模式下按預定的時間間隔準確輸送微量劑量，無需護士或醫(yī)生手動控制流向患者的液體流量。醫(yī)生和醫(yī)療管理人員可以依靠輸液泵系統(tǒng)的安全性來顯示有關(guān)滴定安全性的劑量限制的實時系統(tǒng)信息，以防止過量，以及物理輸送機制本身的可靠性和準確性。

圖5.大容量輸液泵系統(tǒng)。

在運行期間，微控制器從直流電機接收受監(jiān)控的速度和方向信號，并對其進行分析和調(diào)整（如果需要）以滿足設定值。前饋路徑中的DAC為系統(tǒng)提供調(diào)整，而反饋路徑中的ADC監(jiān)視每次調(diào)整的效果。DAC設置的所需設定點電壓通過驅(qū)動器網(wǎng)絡放大，為直流電機提供所需的驅(qū)動電流。

ADI提供高性能模擬和混合信號處理解決方案，用于檢測、測量和控制化學分析儀、流式細胞儀、輸液泵、透析設備、呼吸機、導管和更多醫(yī)療器械中使用的傳感器和執(zhí)行器。特別是，AD5761R是一款高分辨率、雙極性DAC，具有8個軟件可選輸出范圍，同時保持通用精度，是電機控制應用的理想器件，支持電機所需的不同電壓擺幅。

結(jié)論

DAC在確定許多控制系統(tǒng)和簡單轉(zhuǎn)換電路以及其他復雜應用的性能和精度方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。AD5761R及其產(chǎn)品系列是一款完整的16位分辨率精密雙極性DAC，具有多個可編程輸出范圍，適合上述應用。AD5761R系列DAC具有高度可配置的范圍（0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至16 V、0 V至20 V、±3 V、±5 V、±10 V和?2.5 V至+7.5 V;5%超量程），使該系列DAC成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通用解決方案。 工業(yè)自動化、可編程邏輯控制器和電機控制器。AD5761R產(chǎn)品系列中的集成包括輸出緩沖器和2 ppm/°C緩沖內(nèi)部基準電壓源，可顯著簡化電路板設計，減小電路板尺寸，并最大限度地降低功耗和成本。

審核編輯：郭婷