如何最大程度提高模擬輸入模塊的性能

出處：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2024-07-01 16:03:43 | 313 次閱讀

　　可編程邏輯控制器 (PLC) 是自動(dòng)化領(lǐng)域（尤其是工廠自動(dòng)化）的重要組成部分。PLC 分為電壓和電流輸入，并將實(shí)際信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在這里，具有多個(gè)通道數(shù)的模擬輸入模塊可以處理各種測(cè)量，具體取決于需求和測(cè)量類型。
　　根據(jù)設(shè)計(jì)，模擬前端和數(shù)字化的組件選擇可能會(huì)有很大差異，并且取決于模擬前端的輸入阻抗、通道數(shù)以及單端或差分配置等參數(shù)。
　　主要的設(shè)計(jì)考慮因素可能包括：
　　系統(tǒng)精度以及可重復(fù)性是選擇過(guò)程中的關(guān)鍵部分，并且依賴于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及模擬前端的精度。
　　使用低失調(diào)漂移放大器和儀表放大器有助于維持足夠的誤差預(yù)算，而低噪聲運(yùn)算放大器有助于實(shí)現(xiàn)更高的有效位數(shù)或無(wú)噪聲分辨率。
　　考慮功耗以及系統(tǒng)獲取和處理數(shù)據(jù)的速度。
　　工藝技術(shù)，在選擇可接受的速度功率比時(shí)，這一點(diǎn)很重要。
　　轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近寄存器 (SAR) 拓?fù)?，而雙極技術(shù)可提供更高的效率且不影響性能。
　　在多路復(fù)用系統(tǒng)中使用運(yùn)算放大器
　　一些模擬輸入模塊使用多路復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)一次一個(gè)測(cè)量。例如，您可以測(cè)量壓力，然后使用電阻溫度檢測(cè)器監(jiān)測(cè)溫度。在這種情況下，從負(fù)電壓切換到正電壓的多路復(fù)用器會(huì)在運(yùn)算放大器的輸入端產(chǎn)生較大的差分電壓，并使輸入保護(hù)二極管正向偏置。
　　一旦二極管正向偏置，從二極管發(fā)出的漏電流就會(huì)影響放大器輸出的穩(wěn)定時(shí)間，進(jìn)而影響數(shù)字化。多路復(fù)用器友好型運(yùn)算放大器使用不同的保護(hù)方案來(lái)繞過(guò)傳統(tǒng)的內(nèi)部二極管，并有助于大幅改善整體穩(wěn)定時(shí)間。
　　與阻抗大于 1 MΩ 的現(xiàn)場(chǎng)變送器接口的模擬輸入模塊通常需要選擇 MOSFET 輸入運(yùn)算放大器。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (JFET) 輸入放大器也具有非常高的輸入阻抗，但共模輸入電壓范圍要窄得多。如果您需要高效率而不影響噪聲性能，雙極運(yùn)算放大器具有最佳的速度功率比。傳統(tǒng)雙極設(shè)計(jì)的代價(jià)是輸入偏置電流大得多或輸入阻抗低得多。
　　為了解決雙極設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，您可以選擇實(shí)施超級(jí) beta 拓?fù)?。直流精度和交流性能使此類精密運(yùn)算放大器能夠靈活適用于 PLC 內(nèi)的各種模擬輸入模塊。

　　下圖有助于解釋系統(tǒng)中不同模擬組件的配置位置。圖 1顯示了饋送到高分辨率轉(zhuǎn)換器的典型信號(hào)路徑。圖 2顯示了用于保持轉(zhuǎn)換器線性的精密模擬前端。圖 3顯示了圖 2 中的放大器、電壓基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的噪聲貢獻(xiàn)。最后，圖 4突出顯示了運(yùn)算放大器的穩(wěn)定時(shí)間遠(yuǎn)低于最低有效位 (LSB) 的一半。

　　
　　圖 1具有電平轉(zhuǎn)換功能的多路復(fù)用系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)高分辨率 ADC 的方式。
　

　　圖 2單通道模塊前端配有高分辨率差分輸入 SAR ADC。

　　如何最大程度提高模擬輸入模塊的性能

　　圖 3顯示了圖 2 所示設(shè)置下信號(hào)鏈和 ADC 的模擬噪聲。

　　如何最大程度提高模擬輸入模塊的性能

　　圖 4穩(wěn)定時(shí)間的仿真結(jié)果顯示誤差遠(yuǎn)低于一半 LSB。
　　建立時(shí)間計(jì)算表示為 LSB = (4.096 ? 2)/2 18，得出 31.25 mV。使用 31.25 mV 并將其乘以 0.5 可得出 15.625 mV 的值，這代表 LSB 的一半。
　　根據(jù)您是否想要優(yōu)化模擬輸入模塊設(shè)計(jì)的穩(wěn)定時(shí)間或噪聲，組件的選擇最終決定了直流和交流參數(shù)之間的權(quán)衡。集成過(guò)壓保護(hù)的雙極運(yùn)算放大器可大幅提高效率，而不會(huì)犧牲穩(wěn)定時(shí)間。然而，在多路復(fù)用系統(tǒng)中，請(qǐng)考慮使用多路復(fù)用器友好的運(yùn)算放大器。

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