论文部分内容阅读
评估系统软件以及评估工具：评估系统具有多项的功能。与PC的通信可以使用LabView达成。适用于微控制器CADuC 7027)的韧体是以C语言编写而成，能够控制往返于ADC与DAC信道的低阶指令。
图9所示为主要屏幕接口。左侧的下拉式选单让使用者可以选择作用中的ADC与DAC通道。在每一个ADC与DAC选单下还有一个下拉式范围选单，是用来选择所需要进行量测与控制的输入与输出范围。以下是可供使用的输入与输出范围：4 mA～20mA、0 mA～20 mA、O mA～24mA、0 V～5 V、0 V～10 V、+／－5 V、以及+／－10 V。藉由使用其内部的PGA，小型的信号输入范围可以直接的适用于ADC中。
图10中所示为ADC组态设定屏幕，是做为ADC信道、更新率、以及PGA增益的设定之用：致能或是停用激磁电流(exCitation Currents)：以及针对其它一般用途的ADC进行设定。每一组ADC通道的校正，都是藉由将相关的DAC输出通道链接至ADC输入终端以及调整每一个范围来进行。因此在使用这种校正方法时，AD 5422的偏移与增益误差会决定每一组通道的偏移与增益。假如这些状况造成了精确度的不足，那么可以使用超高精密度电流以及电压源极进行校正，如果有需要的话。
在挑选好ADC的输入通道、输入范围、以及更新速率之后，现在我们可以使用如图11中所示的ADC统计图屏幕，显示部份经过量测的资料。在这个屏幕中，用户可以选择要进行记录的数据点数量；软件会针对所选择的通道产生出一组长条统计图，计算峰值对峰值与rms噪声，并且显示出结果。在此处所展示的量测当中，输入是透过AD 8220而被连结至AD 7793：增益为1、更新率为16.7 Hz、取样数为512、输入范围是+／-10 V、输入电压为2.5 V。峰值对峰值分辨率为18 2位。
在图1 2中，输入会被直接连结至AD 7793，跳过AD 8220。芯片内建的2 5 V参考器会被直接连结至AD7793的AIN+与AIN一道，提供一组O V的差动信号给ADC。峰值对峰值分辨率为200位。假如将ADC维持在相同的状况，但是2.5 V输入是透过AD 8220连结的话，那么峰值对峰值分辨率会降级至18.9位，这有两个原因：在低增益之下，AD8220会对系统产生些许噪声，而提供输入衰减的定标电阻器(sCatmgresistor)会对ADC产生些许的范围损失。PLC评估系统让用户可以改变定标电阻器，藉以将ADC的全标度范围优化，从而改善峰值对峰值分辨率。
电源供应输入保护PLC评估系统采用最好的方法来处理电磁兼容性(EMC)。经过调整的dC供应电源(18 V～36V)会透过一组2或3线接口链接至电路板上。这个电源供应必须要加以保护，避免故障以及受到电磁波干扰(EMI)的影响。以下列举的预防要项～如图1 3中所示～，在电路板设计时应当要加以留意，以便确保PLC评估系统在遭遇到任何可能是在电源埠所产生的干扰时，都能够正常的运作。
·压电电阻器R1被连结至与电力输入埠相邻的接地端。在正常的作业下，R1电阻值非常的高(兆奥姆)，因此漏泄电流就会非常的低(微安培)。当端口上引发电流浪涌(举例来说，肇因于照明)时，压电电阻器会故障，而极微小的电压改变都会生成快速的电流变化。在数十毫微秒之内，压电电阻器的电阻值就会剧烈的下降。此低电阻路径可以使不需要的能源浪涌回返至输入端，进而保护IC电路。三组属于选项性的压电电阻器(R2、R3、与R4)也是链接至输入路径当中，以便在PLC电路板采用3线组态供电时可以提供保护的功能。压电电阻器的成本一般都远低于$1美元。
·正温度系数电阻器PTC1以串联的方式连结至电力输入走在线。PTCI电阻值在一般作业期间会呈现非常低的状态，不会对电路中的其它部份产生冲击。当电流超过额定值的时候，PTC1的温度与电阻值就会快速的增加。这种高电阻值模式会限制电流并保护输入电路。当电流流动下降至额定限制时，电阻值会回返至其正常值。
·当PLC电路板以浮动接地(fIoating ground)的方式运作时，Y电容器C2、C3、与C4会抑制共模导电EMI。这些安全性电容器需要低电阻值与高电压的耐久力。设计厂商必须使用具有UL或是CAS检定，并且符合绝缘强度监管标准的Y电容器。
·电感器L1与L2会将来自于电力埠的共模传导干扰过滤掉。二极管D1会保护系统，使其免于遭受到反向电压。可以利用在工作电流上被设定了低正向电压的一般用途硅芯片或是萧特基(sChottky)二极管。
模拟输入保护：PLC电路板可以同时容纳电压与电流输入。图14所示为输入的结构。负载电阻器R5会针对电流模式而被接通。电阻器R6与R7会将输入予以衰减。电阻器R8则用以设定AD 8220的增益。
这些模拟输入埠可能会遭遇到外部终端连结上的电力浪涌或是静电放电。瞬时电压抑制器能够提供对于这类型放电的高效率保护。当高能源瞬时出现在模拟输入端时，TVS会在数毫微秒之内从高阻抗降至低阻抗。它可以将数千瓦的浪涌电力予以吸收，并且将模拟输入固定为默认电压，进而保护精密的零件免于遭到浪涌的破坏。其优点包括了快速响应时间、高瞬时电力吸收、低漏泄电流、低崩溃电压误差、以及小巧的封装尺寸。
仪表放大器通常会被用来处理模拟输入信号。这些精密的低噪声零件对于干扰很敏感，因此流入模拟输入端的电流就会被限制在低于数个微安培以下。通常外部的萧特基二极管能够保护仪表放大器。即使在具有内部的ESD保护二极管之状况下，使用外部二极管将会对电阻器产生较小的限制以及较低的噪声与偏移误差。双串联萧特基屏障二极管D4-A以及D4-B会将过电流转移至电源供应或是接地端。
在将外部传感器例如热耦合(TC)或是电阻温度组件(RTD)直接链接至ADC时，类似的保护也是有其必要的，如图1 5中所示。
·将两组四重TVS网络D5-C与D5-D设置于J2输入接脚之后，用以抑制来自于端口的瞬时。
·C7、C8、C9、Rg、与R10会组成ADC之前的RF衰减滤波器。滤波器具有三项功能：尽可能的从输入线中将RF能量移除，在每条线与接地端之间保持aC信号平衡，以及在量测带宽上维持足够高的输入阻抗，藉以避免加载信号源极。此滤波器的3 dB差动模式与共模带宽分别为7U9 kHz与1U6 MHz。连结至AIN2+与AIN2-的RTD输入通道也是采用相同的方法加以保护。
模拟输出保护PLC评估系统可以透过软件设定组态，藉以输出处于不同范围的模拟电压或是电流。输出是由低成本的AD 5422精密16位完全整合式数字模 拟转换器负责提供，该组件具有可编程电流源极以及可编程电压输出。AD 5422的电压与电流输出能够直接链接至外部负载上，因此它们很容易受到电压浪涌与EFT脉冲的影响。
输出的结构如图16中所示。
·使用一组TVS(D11)过滤与抑制任何来自于连结埠J5的瞬时。
·非导体的陶瓷铁氧体磁珠(Ce ramiC ferritebead)(L3)以串联方式链接至输出路径，藉以提高隔离度与对高频率瞬时噪声的退耦。在低频率(<100 kHz)下，铁氧体会具有电感：因此在低通LC滤波器当中它们是有用的。在100 kHz以上，铁氧体会变得具有电阻性，这是在高频率滤波器设计当中的一项重要特性。铁氧体磁珠提供三项功能：将系统中的噪声局部化，避免外部高频率噪声进入AD 5422，并且避免内部产生的噪声传播至系统的其它部份。当铁氧体饱和时，它们会变成非线性，并且失去其滤波的特性。因此，铁氧体的dC饱和电流绝对不可以超过其限制，特别是在生成高电流时。
·双串联萧特基屏障二极管Dg-A与D9-B会将任何过电流转换为正或负的电源供应。当AD5422驱动高达1μF的电容负载时，C22会提供电压输出缓冲以及相位补偿。
·电流输出信道上的保护电路与电压输出信道上的保护电路相当类似，差别是将10＠的电阻器(R17)换成了铁氧体磁珠。来自于AD 5422的电流输出会被外部离散式的NPN晶体管Q1升压。外部升压晶体管的增加会减少流入芯片内建输出晶体管的电流，进而降低AD 5422当中的电力浪费。Q1的崩溃电压BVCEO应该大于60 V。在AD 5422被使用于供应电压、负载电流、以及温度范围之极限状态下的应用领域当中，外部升压能力十分的有用。升压晶体管也可以被用来降低温度诱导漂移量，进而使芯片内建电压参考器的漂移最小化，并且改善器件的漂移与线性度。
·将一组15KQ的精密低漂移电流设定电阻器(R15)连结至RSET，以便改善电流输出相对于温度的稳定度。
·PLC示范系统可以设定其组态，以便在AD 5422以外部电压供电时提供高于15V的电压输出。TVS是用来保护电力输入连结埠的。二极管D6与D7则提供了免于反向偏压的保护。所有的电源供应都藉由10μF的固体钽电解(solid tantalum eleCtrolytiC)以及0.1μF的陶瓷电容器予以退耦。
IEC测试以及结果：表3中所示的结果显示出在测试期间所发生之DAC输出的偏差。在测试结束后输出要回复到原始值的动作已经完成。这往往会被参照为Class BiClass A意指在测试期间，其偏差落在被允许的系统精确度之内。典型的工业控制系统精确度大约是0.05％。
典型的系统配置设定：图19中所示为评估系统的照片，以及典型系统的组态可能会被如何设定。输入通道可以轻易的接受回路供电与非回路供电的传感器输入，以及标准的工业电流与电压输入。完整的设计中采用了Analog DeviCes的转换器、隔离技术、处理器、以及电源管理产品，使客户能够轻易的对整个信号链进行评估。关于作者群
Colin Slattery任职于ADI位在爱尔兰LimeriCk精密转换器事业群的应用工程师。他毕业于LlmerlCk大学，取得工程学士学位。之后，他加入ADI数字模拟转换器事业群，担任测试工程师，并且已经在中国地区任职3年。想要联络他请利用Colin slattery@analog Corn。
DerriCk Hartmann现职ADI位在爱尔兰LlmeriCk数字模拟转换器事业群的应用工程师。DerriCk于2008年毕业后即加入ADI，拥有LimeriCk大学工程学士学位。想要联络他请利用derriCk hartmann@analog.Com。
LiKe于2007年加入ADI，目前是位于中国上海地区精密转换器产品线的应用工程师。先前他曾于Agilem(安捷伦)科技化学分析事业群任职4年，职务为研发工程师。L·在xi’an Jiaotong University分别于1999年取得电子工程学士学位，以及于2003年取得生物医学工程硕士学位。从2005年起他就成为了Chinese lnStltute of EleCtronlCs的专业会员。想要联络他请利用li.ke@analog com。
图9所示为主要屏幕接口。左侧的下拉式选单让使用者可以选择作用中的ADC与DAC通道。在每一个ADC与DAC选单下还有一个下拉式范围选单，是用来选择所需要进行量测与控制的输入与输出范围。以下是可供使用的输入与输出范围：4 mA～20mA、0 mA～20 mA、O mA～24mA、0 V～5 V、0 V～10 V、+／－5 V、以及+／－10 V。藉由使用其内部的PGA，小型的信号输入范围可以直接的适用于ADC中。
图10中所示为ADC组态设定屏幕，是做为ADC信道、更新率、以及PGA增益的设定之用：致能或是停用激磁电流(exCitation Currents)：以及针对其它一般用途的ADC进行设定。每一组ADC通道的校正，都是藉由将相关的DAC输出通道链接至ADC输入终端以及调整每一个范围来进行。因此在使用这种校正方法时，AD 5422的偏移与增益误差会决定每一组通道的偏移与增益。假如这些状况造成了精确度的不足，那么可以使用超高精密度电流以及电压源极进行校正，如果有需要的话。
在挑选好ADC的输入通道、输入范围、以及更新速率之后，现在我们可以使用如图11中所示的ADC统计图屏幕，显示部份经过量测的资料。在这个屏幕中，用户可以选择要进行记录的数据点数量；软件会针对所选择的通道产生出一组长条统计图，计算峰值对峰值与rms噪声，并且显示出结果。在此处所展示的量测当中，输入是透过AD 8220而被连结至AD 7793：增益为1、更新率为16.7 Hz、取样数为512、输入范围是+／-10 V、输入电压为2.5 V。峰值对峰值分辨率为18 2位。
在图1 2中，输入会被直接连结至AD 7793，跳过AD 8220。芯片内建的2 5 V参考器会被直接连结至AD7793的AIN+与AIN一道，提供一组O V的差动信号给ADC。峰值对峰值分辨率为200位。假如将ADC维持在相同的状况，但是2.5 V输入是透过AD 8220连结的话，那么峰值对峰值分辨率会降级至18.9位，这有两个原因：在低增益之下，AD8220会对系统产生些许噪声，而提供输入衰减的定标电阻器(sCatmgresistor)会对ADC产生些许的范围损失。PLC评估系统让用户可以改变定标电阻器，藉以将ADC的全标度范围优化，从而改善峰值对峰值分辨率。
电源供应输入保护PLC评估系统采用最好的方法来处理电磁兼容性(EMC)。经过调整的dC供应电源(18 V～36V)会透过一组2或3线接口链接至电路板上。这个电源供应必须要加以保护，避免故障以及受到电磁波干扰(EMI)的影响。以下列举的预防要项～如图1 3中所示～，在电路板设计时应当要加以留意，以便确保PLC评估系统在遭遇到任何可能是在电源埠所产生的干扰时，都能够正常的运作。
·压电电阻器R1被连结至与电力输入埠相邻的接地端。在正常的作业下，R1电阻值非常的高(兆奥姆)，因此漏泄电流就会非常的低(微安培)。当端口上引发电流浪涌(举例来说，肇因于照明)时，压电电阻器会故障，而极微小的电压改变都会生成快速的电流变化。在数十毫微秒之内，压电电阻器的电阻值就会剧烈的下降。此低电阻路径可以使不需要的能源浪涌回返至输入端，进而保护IC电路。三组属于选项性的压电电阻器(R2、R3、与R4)也是链接至输入路径当中，以便在PLC电路板采用3线组态供电时可以提供保护的功能。压电电阻器的成本一般都远低于$1美元。
·正温度系数电阻器PTC1以串联的方式连结至电力输入走在线。PTCI电阻值在一般作业期间会呈现非常低的状态，不会对电路中的其它部份产生冲击。当电流超过额定值的时候，PTC1的温度与电阻值就会快速的增加。这种高电阻值模式会限制电流并保护输入电路。当电流流动下降至额定限制时，电阻值会回返至其正常值。
·当PLC电路板以浮动接地(fIoating ground)的方式运作时，Y电容器C2、C3、与C4会抑制共模导电EMI。这些安全性电容器需要低电阻值与高电压的耐久力。设计厂商必须使用具有UL或是CAS检定，并且符合绝缘强度监管标准的Y电容器。
·电感器L1与L2会将来自于电力埠的共模传导干扰过滤掉。二极管D1会保护系统，使其免于遭受到反向电压。可以利用在工作电流上被设定了低正向电压的一般用途硅芯片或是萧特基(sChottky)二极管。
模拟输入保护：PLC电路板可以同时容纳电压与电流输入。图14所示为输入的结构。负载电阻器R5会针对电流模式而被接通。电阻器R6与R7会将输入予以衰减。电阻器R8则用以设定AD 8220的增益。
这些模拟输入埠可能会遭遇到外部终端连结上的电力浪涌或是静电放电。瞬时电压抑制器能够提供对于这类型放电的高效率保护。当高能源瞬时出现在模拟输入端时，TVS会在数毫微秒之内从高阻抗降至低阻抗。它可以将数千瓦的浪涌电力予以吸收，并且将模拟输入固定为默认电压，进而保护精密的零件免于遭到浪涌的破坏。其优点包括了快速响应时间、高瞬时电力吸收、低漏泄电流、低崩溃电压误差、以及小巧的封装尺寸。
仪表放大器通常会被用来处理模拟输入信号。这些精密的低噪声零件对于干扰很敏感，因此流入模拟输入端的电流就会被限制在低于数个微安培以下。通常外部的萧特基二极管能够保护仪表放大器。即使在具有内部的ESD保护二极管之状况下，使用外部二极管将会对电阻器产生较小的限制以及较低的噪声与偏移误差。双串联萧特基屏障二极管D4-A以及D4-B会将过电流转移至电源供应或是接地端。
在将外部传感器例如热耦合(TC)或是电阻温度组件(RTD)直接链接至ADC时，类似的保护也是有其必要的，如图1 5中所示。
·将两组四重TVS网络D5-C与D5-D设置于J2输入接脚之后，用以抑制来自于端口的瞬时。
·C7、C8、C9、Rg、与R10会组成ADC之前的RF衰减滤波器。滤波器具有三项功能：尽可能的从输入线中将RF能量移除，在每条线与接地端之间保持aC信号平衡，以及在量测带宽上维持足够高的输入阻抗，藉以避免加载信号源极。此滤波器的3 dB差动模式与共模带宽分别为7U9 kHz与1U6 MHz。连结至AIN2+与AIN2-的RTD输入通道也是采用相同的方法加以保护。
模拟输出保护PLC评估系统可以透过软件设定组态，藉以输出处于不同范围的模拟电压或是电流。输出是由低成本的AD 5422精密16位完全整合式数字模 拟转换器负责提供，该组件具有可编程电流源极以及可编程电压输出。AD 5422的电压与电流输出能够直接链接至外部负载上，因此它们很容易受到电压浪涌与EFT脉冲的影响。
输出的结构如图16中所示。
·使用一组TVS(D11)过滤与抑制任何来自于连结埠J5的瞬时。
·非导体的陶瓷铁氧体磁珠(Ce ramiC ferritebead)(L3)以串联方式链接至输出路径，藉以提高隔离度与对高频率瞬时噪声的退耦。在低频率(<100 kHz)下，铁氧体会具有电感：因此在低通LC滤波器当中它们是有用的。在100 kHz以上，铁氧体会变得具有电阻性，这是在高频率滤波器设计当中的一项重要特性。铁氧体磁珠提供三项功能：将系统中的噪声局部化，避免外部高频率噪声进入AD 5422，并且避免内部产生的噪声传播至系统的其它部份。当铁氧体饱和时，它们会变成非线性，并且失去其滤波的特性。因此，铁氧体的dC饱和电流绝对不可以超过其限制，特别是在生成高电流时。
·双串联萧特基屏障二极管Dg-A与D9-B会将任何过电流转换为正或负的电源供应。当AD5422驱动高达1μF的电容负载时，C22会提供电压输出缓冲以及相位补偿。
·电流输出信道上的保护电路与电压输出信道上的保护电路相当类似，差别是将10＠的电阻器(R17)换成了铁氧体磁珠。来自于AD 5422的电流输出会被外部离散式的NPN晶体管Q1升压。外部升压晶体管的增加会减少流入芯片内建输出晶体管的电流，进而降低AD 5422当中的电力浪费。Q1的崩溃电压BVCEO应该大于60 V。在AD 5422被使用于供应电压、负载电流、以及温度范围之极限状态下的应用领域当中，外部升压能力十分的有用。升压晶体管也可以被用来降低温度诱导漂移量，进而使芯片内建电压参考器的漂移最小化，并且改善器件的漂移与线性度。
·将一组15KQ的精密低漂移电流设定电阻器(R15)连结至RSET，以便改善电流输出相对于温度的稳定度。
·PLC示范系统可以设定其组态，以便在AD 5422以外部电压供电时提供高于15V的电压输出。TVS是用来保护电力输入连结埠的。二极管D6与D7则提供了免于反向偏压的保护。所有的电源供应都藉由10μF的固体钽电解(solid tantalum eleCtrolytiC)以及0.1μF的陶瓷电容器予以退耦。
IEC测试以及结果：表3中所示的结果显示出在测试期间所发生之DAC输出的偏差。在测试结束后输出要回复到原始值的动作已经完成。这往往会被参照为Class BiClass A意指在测试期间，其偏差落在被允许的系统精确度之内。典型的工业控制系统精确度大约是0.05％。
典型的系统配置设定：图19中所示为评估系统的照片，以及典型系统的组态可能会被如何设定。输入通道可以轻易的接受回路供电与非回路供电的传感器输入，以及标准的工业电流与电压输入。完整的设计中采用了Analog DeviCes的转换器、隔离技术、处理器、以及电源管理产品，使客户能够轻易的对整个信号链进行评估。关于作者群
Colin Slattery任职于ADI位在爱尔兰LimeriCk精密转换器事业群的应用工程师。他毕业于LlmerlCk大学，取得工程学士学位。之后，他加入ADI数字模拟转换器事业群，担任测试工程师，并且已经在中国地区任职3年。想要联络他请利用Colin slattery@analog Corn。
DerriCk Hartmann现职ADI位在爱尔兰LlmeriCk数字模拟转换器事业群的应用工程师。DerriCk于2008年毕业后即加入ADI，拥有LimeriCk大学工程学士学位。想要联络他请利用derriCk hartmann@analog.Com。
LiKe于2007年加入ADI，目前是位于中国上海地区精密转换器产品线的应用工程师。先前他曾于Agilem(安捷伦)科技化学分析事业群任职4年，职务为研发工程师。L·在xi’an Jiaotong University分别于1999年取得电子工程学士学位，以及于2003年取得生物医学工程硕士学位。从2005年起他就成为了Chinese lnStltute of EleCtronlCs的专业会员。想要联络他请利用li.ke@analog com。