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新型、完整、高分辨率、多功能、雙極性DAC: 易于使用的通用解決方案

發(fā)布時間:2020-06-11 來源:Estibaliz Sanz Obaldia 和 Junifer Frenila 責任編輯:wenwei

【導讀】當前市場在不斷動態(tài)變化,促使設(shè)計周期越來越短,系統(tǒng)功能越來越強,而且終端系統(tǒng)更具便攜性。這就要求必須采用新方法來簡化這些挑戰(zhàn),同時又不增加設(shè)計復雜度。 本文將討論控制和測量方面的一些關(guān)鍵系統(tǒng)挑戰(zhàn);許多不同應(yīng)用都涉及到控制和測量,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。 
 
本文將探討雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)架構(gòu)的最新進展,以及這些拓撲結(jié)構(gòu)如何應(yīng)對終端系統(tǒng)挑戰(zhàn),例如:通過[比如]在相同或更少的空間中提供更多功能和智能。 本文還會探討分立式和功能更完整的解決方案。 最后,本文會說明多種替代傳統(tǒng)設(shè)計拓撲的方案,這些方案在設(shè)計重用和系統(tǒng)模塊化方面具有更高的靈活性。
 
應(yīng)當注意的是,下面的圖形并非實際原理圖,而是關(guān)于如何利用多功能DAC和其他器件來實現(xiàn)應(yīng)用的示意圖。 雖然并未包括電源電路、旁路和其他無源元件等方面,但這些圖形顯示了應(yīng)用[此類應(yīng)用]的一般實現(xiàn)方法。
 
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
 
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)用于測量電壓、電流或壓力等電氣或物理特性,并利用微控制器或微處理器(MPU)來處理數(shù)據(jù)。 DAQ由傳感器、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和控制器組成,其中控制器利用嵌入式軟件控制采集過程。
 
在過程控制應(yīng)用中,傳感器必須足夠敏感以便保障待測信號的質(zhì)量,這點非常重要。 但是,即便傳感器足夠敏感,增益和失調(diào)等信號鏈誤差也可能會干擾信號質(zhì)量。 在高性能應(yīng)用中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用DAC自動校準調(diào)理電路。 圖1是一個壓力檢測系統(tǒng)的框圖。 它顯示了AD5761R 等雙極性DAC及該系列產(chǎn)品如何用于自動增益和失調(diào)校準方案。
 
精密電橋傳感器收到來自壓力傳感器的激勵信號,產(chǎn)生輸出電壓。 由于電橋傳感器的信號幅度較低,通常會使用儀表放大器來放大信號。 這種低幅度信號容易受誤差影響。 此類誤差通常包括溫度變化引起的漂移誤差、電路板上的寄生誤差以及無源器件的容差。
 
利用AD5761R,系統(tǒng)可實現(xiàn)增益和失調(diào)校準,從而在系統(tǒng)工作期間動態(tài)校正誤差。 根據(jù)調(diào)整水平和所需的極性,完整、高分辨率、多功能、雙極性DAC可大大簡化校準過程。 AD5761R可通過高速4線SPI接口進行編程,該接口的串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)線可為菊花鏈和回讀操作提供便利。
 
新型、完整、高分辨率、多功能、雙極性DAC: 易于使用的通用解決方案
圖1. 壓力檢測系統(tǒng)的自動校準
 
工業(yè)自動化
 
工業(yè)自動化應(yīng)用多種多樣。 但無論什么應(yīng)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(yīng)性以及從低電平信號采集正確信息的速度是非常重要的。 在控制方面,能夠靈活適應(yīng)不同執(zhí)行器和驅(qū)動器的要求至關(guān)重要。
 
圖2是一個工業(yè)自動化系統(tǒng)的示例。 一個帶冷結(jié)補償?shù)臒犭娕加脕頊y量激光加工機床或重型電機等工業(yè)設(shè)備的溫度。 電壓經(jīng)過放大和濾波后送至集成模擬前端(AFE) IC進行轉(zhuǎn)換,數(shù)字數(shù)據(jù)送入處理器進行分析。 基于處理過的數(shù)據(jù),處理器將信號送至一個同樣完全隔離的控制DAC,以驅(qū)動工業(yè)風機、激活Peltier之類的冷卻裝置或開啟水冷系統(tǒng)的閥門。 此外,用戶可通過控制接口設(shè)備輸入超控命令。
 
經(jīng)過改造后,該系統(tǒng)也可用于壓力和振動的測量與控制。 油品和化學品儲罐監(jiān)控通常使用壓力傳感器系統(tǒng),快速運動機器頭部的振動監(jiān)控通常使用陀螺儀系統(tǒng)。 這些應(yīng)用可采用相同的AFE,它與外部環(huán)境完全隔離。
 
AD5761R是一款高電壓、高分辨率、雙極性DAC,內(nèi)置低漂移基準電壓源并提供軟件可選的輸出范圍,可以很好地取代多個DAC或單個復用DAC。 它提供單極性和雙極性電壓并保持相同的精度,還有超范圍輸出選項。 該雙極性DAC支持執(zhí)行器的不同需求,包括通過軟件調(diào)整控制單元,以免修改硬件。
 
AD5761R及該系列產(chǎn)品提供兩種小型封裝——3 mm × 3 mm引腳框架芯片級封裝(LFCSP)和16引腳超薄緊縮封裝(TSSOP),并且支持–55°C至+125°C的寬工作溫度范圍。 這種新型工業(yè)控制方法對縮小電路板空間和降低成本非常有幫助。
 
新型、完整、高分辨率、多功能、雙極性DAC: 易于使用的通用解決方案
圖2. 工業(yè)自動化系統(tǒng)簡圖
 
可編程邏輯控制器
 
可編程邏輯控制器(PLC)集成電源、中央處理單元和多個模擬/數(shù)字I/O模塊,以便控制、激活、監(jiān)測復雜的機器變量。 PLC廣泛用于各行各業(yè),它們提供擴展的溫度范圍,不受電氣噪聲影響,并且能夠耐受振動和沖擊。 圖3顯示了一個過程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。 報告過程變量狀態(tài)的輸入信號通過輸入模塊來監(jiān)控,并傳輸?shù)組CU進行分析。 基于分析結(jié)果,輸出模塊作出必要的響應(yīng)來控制系統(tǒng)中的設(shè)備。
 
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圖3. 過程控制系統(tǒng)構(gòu)建模塊
 
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圖4. 完整PLC系統(tǒng)框圖
 
輸入和輸出模塊的精度和分辨率要求大不相同。 在高端應(yīng)用中,輸入模塊需要監(jiān)控高度精確的過程數(shù)據(jù)采集,而輸出模塊本質(zhì)上是以16位分辨率和精度調(diào)整輸出。 因此,PLC系統(tǒng)的輸入模塊常常使用Σ -Δ型ADC,市場上有各種各樣的隔離式、單通道/多通道、同步采樣ADC可供使用。
 
輸出模塊可提供精密電壓DAC、精密電流DAC或二者的結(jié)合。 針對PLC模擬輸出,可利用多種方法來產(chǎn)生電流和電壓電平。 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,對PLC系統(tǒng)相當有利,可降低系統(tǒng)復雜度、縮小電路板尺寸并減少成本。
 
電機控制
 
在電機控制環(huán)路中,例如在輸液泵系統(tǒng)中,DAC是必不可少的。 輸液泵廣泛用于醫(yī)療服務(wù)中,可為所有年齡層次的病人提供治療。 輸液泵的作用是斷續(xù)或連續(xù)地向病人的心血管系統(tǒng)輸送液體、藥物或補充劑。
 
雖然輸液泵要求具備資格的用戶來設(shè)置治療的特定參數(shù),但相比于手動管理,其暗含的優(yōu)勢無疑會提高用戶的信心。 在自行操作模式下,此類儀器能夠以設(shè)定的間隔精確輸送小劑量液體,無需護士或醫(yī)生手動控制液流以輸送給病人。 輸液泵系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示關(guān)于劑量限制的系統(tǒng)信息,醫(yī)生和醫(yī)療管理員可以借助輸液泵系統(tǒng)的安全性實現(xiàn)滴定安全性,防止輸液過量,并確保物理輸送機制本身的可靠性和準確性。
 
新型、完整、高分辨率、多功能、雙極性DAC: 易于使用的通用解決方案
圖5. 大容量輸液泵系統(tǒng)
 
工作過程中,微控制器接收來自直流電機的速度和方向信號,并進行分析和調(diào)整(如需要)以達到設(shè)定值。 正饋路徑中的DAC提供對系統(tǒng)的調(diào)整,反饋路徑中的ADC監(jiān)控每次調(diào)整的效果。 DAC設(shè)定的電壓通過驅(qū)動器網(wǎng)絡(luò)放大,以向直流電機提供所需的驅(qū)動電流。
 
ADI公司提供高性能模擬和混合信號處理解決方案,用于檢測、測量、控制化學分析儀、流式細胞分析儀、輸液泵、透析設(shè)備、呼吸器、導管及其他醫(yī)療儀器中的傳感器和執(zhí)行器。 具體而言,AD5761R這款提供8個軟件可選輸出范圍且保持同一精度的高分辨率、雙極性DAC,便非常適合電機控制應(yīng)用,其支持電機所需的不同電壓擺幅。
 
結(jié)論
 
對于許多控制系統(tǒng)和簡單的轉(zhuǎn)換電路,以及其他復雜應(yīng)用,DAC在決定其性能和精度方面起著重要作用。 AD5761R及該產(chǎn)品系列是完整的16位分辨率、精密雙極性DAC,提供多種可編程輸出范圍,適合上述應(yīng)用。 AD5761R系列DAC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%超范圍),使得該系列DAC具有普遍適用性,支持數(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器等所有解決方案。 AD5761R產(chǎn)品系列的高集成度,包括輸出緩沖器和2 ppm/°C內(nèi)部緩沖基準電壓源,可大大簡化電路板設(shè)計,縮小電路板尺寸,并使功耗和成本最低。
 
 
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