【導(dǎo)讀】全球工業(yè)智能化進(jìn)程不斷推進(jìn)，工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)市場(chǎng)也一直備受關(guān)注。本次我們通過(guò)技術(shù)型分銷商世健公司邀請(qǐng)了他們的客戶，現(xiàn)就職于國(guó)內(nèi)一線工業(yè)自動(dòng)化廠商的硬件工程師李工，來(lái)跟我們探討高性能AO技術(shù)。
李工任職的一線工業(yè)自動(dòng)化廠商是面向自主控制，智慧管理，安全可信，提供以自動(dòng)化控制系統(tǒng)為核心，涵蓋工業(yè)軟件、自動(dòng)化儀表及運(yùn)維服務(wù)的智能制造產(chǎn)品及解決方案。而李工具有7年電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，任控制系統(tǒng)IO技術(shù)構(gòu)架師。具備豐富的模數(shù)混合電路、信號(hào)鏈電路等設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
摘要：本文從工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際需求出發(fā)，深入淺出地分析了高性能AO技術(shù)應(yīng)該具備的基本特點(diǎn)，并結(jié)合AD5755，提出了一種簡(jiǎn)單易行的解決方案。
一、為什么我們需要高性能AO技術(shù)？
隨著自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)正不斷向著更強(qiáng)的性能、更高的可靠性、更智能的適用性的方向升級(jí)。作為控制系統(tǒng)與工業(yè)設(shè)備之間的接口，IO系統(tǒng)也需要不斷升級(jí)性能，以滿足控制系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備的更高的運(yùn)行要求。
工業(yè)控制系統(tǒng)中的AO（Analog Output）設(shè)備是IO系統(tǒng)中的重要組成部件。作為控制系統(tǒng)操作工業(yè)設(shè)備的“手”，AO設(shè)備通過(guò)輸出電壓、電流信號(hào)，決定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，AO設(shè)備的性能決定了控制系統(tǒng)的控制結(jié)果在工業(yè)設(shè)備上的執(zhí)行水平。目前市場(chǎng)上主流的AO設(shè)備支持電流、電壓信號(hào)，信號(hào)精度大致在0.2%~0.5%之間，信號(hào)刷新速度在十幾毫秒到幾十毫秒之間。
AO設(shè)備的驅(qū)動(dòng)對(duì)象不僅包含各種閥門(mén)類執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還包括了電機(jī)設(shè)備、電磁設(shè)備、光照設(shè)備等等。某些高端應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)控制精度、速度的要求已經(jīng)超出了市場(chǎng)上的主流AO性能。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，AO設(shè)備和執(zhí)行器之間需要額外的信號(hào)隔離或轉(zhuǎn)換設(shè)備，這就導(dǎo)致了AO輸出性能的下降。為了適配高精度、高速的執(zhí)行器，或降低信號(hào)隔離或轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)系統(tǒng)性能的影響，AO設(shè)備的輸出性能需要進(jìn)一步提升。
二、我們需要什么樣的AO技術(shù)？
從表面上看，我們需要提高AO設(shè)備的信號(hào)精度、刷新速度，但深入分析后，這是個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題。
AO設(shè)備的信號(hào)類型常見(jiàn)電壓信號(hào)和電流信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)電壓信號(hào)為0V~5V、1V~5V，標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)電流信號(hào)為0mA~10mA、4mA~20mA，除此外也有一些非標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)范圍。從端口特性上講，電壓信號(hào)輸出要求端口的輸出低阻抗，電流信號(hào)輸出要求端口的輸出高阻抗。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于驅(qū)動(dòng)能力的要求和反饋結(jié)構(gòu)的限制，端口輸出阻抗的設(shè)計(jì)必須要兼顧電壓和電流，這帶來(lái)了一定的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的控制系統(tǒng)常常需要面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境條件，尤其是安裝空間、通風(fēng)條件、環(huán)境溫度。AO設(shè)備的外形設(shè)計(jì)需要盡可能緊湊，就要求AO電路的體積盡量小。小體積、寬溫度的條件下依然保持較高的精度，就需要電路元件具有較低的溫漂，或者盡可能降低AO電路的溫升。
圖1是一個(gè)常見(jiàn)的電壓轉(zhuǎn)電流的AO輸出方案。為了使負(fù)載電流可調(diào)，需要輸出級(jí)三極管的管壓降大范圍變化。在某些的負(fù)載條件下，該三極管的發(fā)熱量會(huì)非常高，若AO設(shè)備的散熱能力不足以抵消該發(fā)熱，DAC、運(yùn)放等部件就會(huì)因較大的溫漂產(chǎn)生較大的精度誤差。
圖1
PLC、DCS設(shè)備中的AO組件往往不止有1路AO輸出。單個(gè)AO組件容納多路AO輸出時(shí)，所面臨的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度、電路規(guī)模與空間矛盾、發(fā)熱等問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。這就導(dǎo)致了AO設(shè)備性能的提升，與AO設(shè)備的可靠性、易用性難以兼得。
總之，高性能AO技術(shù)需要在提升信號(hào)精度和刷新速度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化端口兼容性，提高電路集成度，降低發(fā)熱以及發(fā)熱帶來(lái)的影響。傳統(tǒng)的，基于分立器件設(shè)計(jì)的信號(hào)鏈電路方案難以兼顧各項(xiàng)需求。
三、AD5755方案
ADI公司推出的AD5755較完美的解決了以上問(wèn)題。這款DAC內(nèi)部封裝了4路獨(dú)立的電壓、電流輸出電路，每路可以獨(dú)立地輸出電壓型信號(hào)或電流型信號(hào)。AD5755支持最大±10V和0mA~24mA的信號(hào)范圍，基本涵蓋了工業(yè)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合的全部信號(hào)類型。
AD5755為每路AO單元設(shè)計(jì)了一個(gè)BOOST控制器，它的作用是根據(jù)當(dāng)前通道的信號(hào)輸出和負(fù)載條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)AO信號(hào)供電電源的輸出電壓。從上面圖1所舉的例子可以看出，當(dāng)AO輸出供電的電壓值可以根據(jù)輸出反饋調(diào)節(jié)時(shí)，輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)管的管壓降就可以被限制在一個(gè)預(yù)設(shè)的值附近，比如2.4V左右，這時(shí)，驅(qū)動(dòng)管的熱功率就會(huì)變得很低，整個(gè)AO電路中最大的熱源被大大限制了。從發(fā)熱源頭解決問(wèn)題，整個(gè)AO組件的發(fā)熱、散熱情況都會(huì)大大改善。
圖2
AD5755方案將4套DAC、運(yùn)算放大級(jí)、功率放大級(jí)等傳統(tǒng)信號(hào)鏈結(jié)構(gòu)，以及自調(diào)節(jié)電源控制器集成在一個(gè)芯片內(nèi)部，代替了以往采用分立元件設(shè)計(jì)時(shí)，巨大的電路規(guī)模和設(shè)計(jì)工作量。芯片面積僅9mm*9mm，大大減小了電路面積和AO設(shè)備的體積。同時(shí)，自調(diào)節(jié)電源控制器配合AO單元使用，有效地解決了電路發(fā)熱帶來(lái)的溫漂、老化問(wèn)題。進(jìn)一步提高了信號(hào)精度的環(huán)境適應(yīng)性和電路的可靠性。
根據(jù)ADI的官方手冊(cè)，AD5755可以實(shí)現(xiàn)0.05%的基本精度，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間低至十幾到幾十微秒，在精度和速度指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。是下一代高性能AO系統(tǒng)的理想解決方案。
除了精度、速度等重要指標(biāo)外，面向智能化儀表需求，AD5755還具有HART信號(hào)調(diào)制輸入功能。我們只需要增加獨(dú)立的HART Modem，將HART信號(hào)輸入AD5755的CHART管腳，就可以在Iout端直接輸出帶HART通訊的電流信號(hào)。
在使用AD5755設(shè)計(jì)AO設(shè)備時(shí)，只需要將工作重點(diǎn)放在對(duì)該芯片的防護(hù)上。我們可以在端口上增加RC、LC、磁珠、TVS、自復(fù)位保險(xiǎn)絲等必要的保護(hù)電路，就可以大大提高系統(tǒng)的耐受能力。下圖給出了一個(gè)較為通用的保護(hù)方案，僅供讀者參考。
圖3
通過(guò)傳統(tǒng)方案和AD5755方案的對(duì)比，我們不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的基于電子元器件+PCB的工藝方法有其自身的瓶頸。在傳統(tǒng)工藝框架下很難突破的瓶頸，在先進(jìn)工藝（如MEMS或Chip等）方案面前迎刃而解。我們期待未來(lái)市場(chǎng)上可以涌現(xiàn)出更多的高集成化的芯片解決方案或模塊解決方案，以提供給我們更強(qiáng)的性能、更高的可靠性、更智能的適用性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢(shì)作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無(wú)線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡，擁有約650名員工，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來(lái)西亞、泰國(guó)、越南、中國(guó)、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家。世健集團(tuán)在2020年的年?duì)I業(yè)額超過(guò)11億美元。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開(kāi)始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù)。目前，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國(guó)主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。
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