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淺談高性能AO技術(shù)——AD5755方案解析

2021-06-07 23:58:57 世健

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全球工業(yè)智能化進程不斷推進，工業(yè)自動化行業(yè)市場也一直備受關(guān)注。本次我們通過技術(shù)型分銷商世健公司邀請了他們的客戶，現(xiàn)就職于國內(nèi)一線工業(yè)自動化廠商的硬件工程師李工，來跟我們探討高性能AO技術(shù)。

李工任職的一線工業(yè)自動化廠商是面向自主控制，智慧管理，安全可信，提供以自動化控制系統(tǒng)為核心，涵蓋工業(yè)軟件、自動化儀表及運維服務的智能制造產(chǎn)品及解決方案。而李工具有7年電子系統(tǒng)設計經(jīng)驗，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、信號鏈電路等設計經(jīng)驗。

摘要：本文從工業(yè)自動化領(lǐng)域的實際需求出發(fā)，深入淺出地分析了高性能AO技術(shù)應該具備的基本特點，并結(jié)合AD5755，提出了一種簡單易行的解決方案。

一、為什么我們需要高性能AO技術(shù)？

隨著自動化行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)正不斷向著更強的性能、更高的可靠性、更智能的適用性的方向升級。作為控制系統(tǒng)與工業(yè)設備之間的接口，IO系統(tǒng)也需要不斷升級性能，以滿足控制系統(tǒng)和工業(yè)設備的更高的運行要求。

工業(yè)控制系統(tǒng)中的AO（Analog Output）設備是IO系統(tǒng)中的重要組成部件。作為控制系統(tǒng)操作工業(yè)設備的“手”，AO設備通過輸出電壓、電流信號，決定現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。因此，AO設備的性能決定了控制系統(tǒng)的控制結(jié)果在工業(yè)設備上的執(zhí)行水平。目前市場上主流的AO設備支持電流、電壓信號，信號精度大致在0.2%~0.5%之間，信號刷新速度在十幾毫秒到幾十毫秒之間。

AO設備的驅(qū)動對象不僅包含各種閥門類執(zhí)行機構(gòu)，還包括了電機設備、電磁設備、光照設備等等。某些高端應用場合對控制精度、速度的要求已經(jīng)超出了市場上的主流AO性能。在某些應用場合，AO設備和執(zhí)行器之間需要額外的信號隔離或轉(zhuǎn)換設備，這就導致了AO輸出性能的下降。為了適配高精度、高速的執(zhí)行器，或降低信號隔離或轉(zhuǎn)換設備對系統(tǒng)性能的影響，AO設備的輸出性能需要進一步提升。

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設備的信號精度、刷新速度，但深入分析后，這是個極其復雜的問題。

AO設備的信號類型常見電壓信號和電流信號。標準的工業(yè)電壓信號為0V~5V、1V~5V，標準的工業(yè)電流信號為0mA~10mA、4mA~20mA，除此外也有一些非標準的信號范圍。從端口特性上講，電壓信號輸出要求端口的輸出低阻抗，電流信號輸出要求端口的輸出高阻抗。而在實際應用中，由于驅(qū)動能力的要求和反饋結(jié)構(gòu)的限制，端口輸出阻抗的設計必須要兼顧電壓和電流，這帶來了一定的設計復雜度。

工業(yè)現(xiàn)場使用的控制系統(tǒng)常常需要面對復雜的環(huán)境條件，尤其是安裝空間、通風條件、環(huán)境溫度。AO設備的外形設計需要盡可能緊湊，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是一個常見的電壓轉(zhuǎn)電流的AO輸出方案。為了使負載電流可調(diào)，需要輸出級三極管的管壓降大范圍變化。在某些的負載條件下，該三極管的發(fā)熱量會非常高，若AO設備的散熱能力不足以抵消該發(fā)熱，DAC、運放等部件就會因較大的溫漂產(chǎn)生較大的精度誤差。

圖1

PLC、DCS設備中的AO組件往往不止有1路AO輸出。單個AO組件容納多路AO輸出時，所面臨的電路設計復雜度、電路規(guī)模與空間矛盾、發(fā)熱等問題會更嚴重。這就導致了AO設備性能的提升，與AO設備的可靠性、易用性難以兼得。

總之，高性能AO技術(shù)需要在提升信號精度和刷新速度的基礎上，進一步優(yōu)化端口兼容性，提高電路集成度，降低發(fā)熱以及發(fā)熱帶來的影響。傳統(tǒng)的，基于分立器件設計的信號鏈電路方案難以兼顧各項需求。

三、AD5755方案

ADI公司推出的AD5755較完美的解決了以上問題。這款DAC內(nèi)部封裝了4路獨立的電壓、電流輸出電路，每路可以獨立地輸出電壓型信號或電流型信號。AD5755支持最大±10V和0mA~24mA的信號范圍，基本涵蓋了工業(yè)設備應用場合的全部信號類型。

AD5755為每路AO單元設計了一個BOOST控制器，它的作用是根據(jù)當前通道的信號輸出和負載條件，自動調(diào)節(jié)AO信號供電電源的輸出電壓。從上面圖1所舉的例子可以看出，當AO輸出供電的電壓值可以根據(jù)輸出反饋調(diào)節(jié)時，輸出級的驅(qū)動管的管壓降就可以被限制在一個預設的值附近，比如2.4V左右，這時，驅(qū)動管的熱功率就會變得很低，整個AO電路中最大的熱源被大大限制了。從發(fā)熱源頭解決問題，整個AO組件的發(fā)熱、散熱情況都會大大改善。

圖2

AD5755方案將4套DAC、運算放大級、功率放大級等傳統(tǒng)信號鏈結(jié)構(gòu)，以及自調(diào)節(jié)電源控制器集成在一個芯片內(nèi)部，代替了以往采用分立元件設計時，巨大的電路規(guī)模和設計工作量。芯片面積僅9mm*9mm，大大減小了電路面積和AO設備的體積。同時，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)熱帶來的溫漂、老化問題。進一步提高了信號精度的環(huán)境適應性和電路的可靠性。

根據(jù)ADI的官方手冊，AD5755可以實現(xiàn)0.05%的基本精度，其動態(tài)響應時間低至十幾到幾十微秒，在精度和速度指標上遠遠高于現(xiàn)有市場的主流產(chǎn)品。是下一代高性能AO系統(tǒng)的理想解決方案。

除了精度、速度等重要指標外，面向智能化儀表需求，AD5755還具有HART信號調(diào)制輸入功能。我們只需要增加獨立的HART Modem，將HART信號輸入AD5755的CHART管腳，就可以在Iout端直接輸出帶HART通訊的電流信號。

在使用AD5755設計AO設備時，只需要將工作重點放在對該芯片的防護上。我們可以在端口上增加RC、LC、磁珠、TVS、自復位保險絲等必要的保護電路，就可以大大提高系統(tǒng)的耐受能力。下圖給出了一個較為通用的保護方案，僅供讀者參考。

圖3

通過傳統(tǒng)方案和AD5755方案的對比，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，在先進工藝（如MEMS或Chip等）方案面前迎刃而解。我們期待未來市場上可以涌現(xiàn)出更多的高集成化的芯片解決方案或模塊解決方案，以提供給我們更強的性能、更高的可靠性、更智能的適用性的產(chǎn)品設計資源。