如何最大程度提高模擬輸入模塊的性能
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2024-07-01 16:03:43 | 309 次閱讀
可編程邏輯控制器 (PLC) 是自動化領域（尤其是工廠自動化）的重要組成部分。PLC 分為電壓和電流輸入，并將實際信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在這里，具有多個通道數(shù)的模擬輸入模塊可以處理各種測量，具體取決于需求和測量類型。
根據(jù)設計，模擬前端和數(shù)字化的組件選擇可能會有很大差異，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)。
主要的設計考慮因素可能包括：
系統(tǒng)精度以及可重復性是選擇過程中的關鍵部分，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算，而低噪聲運算放大器有助于實現(xiàn)更高的有效位數(shù)或無噪聲分辨率。
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，在選擇可接受的速度功率比時，這一點很重要。
轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近寄存器 (SAR) 拓撲，而雙極技術可提供更高的效率且不影響性能。
在多路復用系統(tǒng)中使用運算放大器
一些模擬輸入模塊使用多路復用器來實現(xiàn)一次一個測量。例如，您可以測量壓力，然后使用電阻溫度檢測器監(jiān)測溫度。在這種情況下，從負電壓切換到正電壓的多路復用器會在運算放大器的輸入端產(chǎn)生較大的差分電壓，并使輸入保護二極管正向偏置。
一旦二極管正向偏置，從二極管發(fā)出的漏電流就會影響放大器輸出的穩(wěn)定時間，進而影響數(shù)字化。多路復用器友好型運算放大器使用不同的保護方案來繞過傳統(tǒng)的內(nèi)部二極管，并有助于大幅改善整體穩(wěn)定時間。
與阻抗大于 1 MΩ 的現(xiàn)場變送器接口的模擬輸入模塊通常需要選擇 MOSFET 輸入運算放大器。結型場效應晶體管 (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，雙極運算放大器具有最佳的速度功率比。傳統(tǒng)雙極設計的代價是輸入偏置電流大得多或輸入阻抗低得多。
為了解決雙極設計的缺點，您可以選擇實施超級 beta 拓撲。直流精度和交流性能使此類精密運算放大器能夠靈活適用于 PLC 內(nèi)的各種模擬輸入模塊。
圖 1具有電平轉(zhuǎn)換功能的多路復用系統(tǒng)驅(qū)動高分辨率 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。
建立時間計算表示為 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)化模擬輸入模塊設計的穩(wěn)定時間或噪聲，組件的選擇最終決定了直流和交流參數(shù)之間的權衡。集成過壓保護的雙極運算放大器可大幅提高效率，而不會犧牲穩(wěn)定時間。然而，在多路復用系統(tǒng)中，請考慮使用多路復用器友好的運算放大器。
根據(jù)設計，模擬前端和數(shù)字化的組件選擇可能會有很大差異，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)。
主要的設計考慮因素可能包括：
系統(tǒng)精度以及可重復性是選擇過程中的關鍵部分，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算，而低噪聲運算放大器有助于實現(xiàn)更高的有效位數(shù)或無噪聲分辨率。
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，在選擇可接受的速度功率比時，這一點很重要。
轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近寄存器 (SAR) 拓撲，而雙極技術可提供更高的效率且不影響性能。
在多路復用系統(tǒng)中使用運算放大器
一些模擬輸入模塊使用多路復用器來實現(xiàn)一次一個測量。例如，您可以測量壓力，然后使用電阻溫度檢測器監(jiān)測溫度。在這種情況下，從負電壓切換到正電壓的多路復用器會在運算放大器的輸入端產(chǎn)生較大的差分電壓，并使輸入保護二極管正向偏置。
一旦二極管正向偏置，從二極管發(fā)出的漏電流就會影響放大器輸出的穩(wěn)定時間，進而影響數(shù)字化。多路復用器友好型運算放大器使用不同的保護方案來繞過傳統(tǒng)的內(nèi)部二極管，并有助于大幅改善整體穩(wěn)定時間。
與阻抗大于 1 MΩ 的現(xiàn)場變送器接口的模擬輸入模塊通常需要選擇 MOSFET 輸入運算放大器。結型場效應晶體管 (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，雙極運算放大器具有最佳的速度功率比。傳統(tǒng)雙極設計的代價是輸入偏置電流大得多或輸入阻抗低得多。
為了解決雙極設計的缺點，您可以選擇實施超級 beta 拓撲。直流精度和交流性能使此類精密運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、電壓基準和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的噪聲貢獻。最后，圖 4突出顯示了運算放大器的穩(wěn)定時間遠低于最低有效位 (LSB) 的一半。
圖 1具有電平轉(zhuǎn)換功能的多路復用系統(tǒng)驅(qū)動高分辨率 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
如何最大程度提高模擬輸入模塊的性能
建立時間計算表示為 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)化模擬輸入模塊設計的穩(wěn)定時間或噪聲，組件的選擇最終決定了直流和交流參數(shù)之間的權衡。集成過壓保護的雙極運算放大器可大幅提高效率，而不會犧牲穩(wěn)定時間。然而，在多路復用系統(tǒng)中，請考慮使用多路復用器友好的運算放大器。
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