可編程邏輯控制器 （PLC） 是一種基于計算機的緊湊型電子系統，它使用數字或模擬輸入/輸出模塊來控制機器、過程和其他控制模塊。PLC能夠接收（輸入）和傳輸（輸出）各種類型的電氣和電子信號，并使用它們來控制和監視幾乎任何類型的機械和/或電氣系統。PLC 按提供的 I/O 功能數量進行分類。例如，納米 PLC 包含少于 32 個 I/O，微型 PLC 具有 32 到 128 個 I/O，小型 PLC 具有 128 到 256 個 I/O，依此類推。典型的PLC系統如圖1所示。

圖1.PLC系統架構，顯示各種I/O模塊功能。

PLC系統包括輸入模塊、輸出模塊和輸入/輸出模塊。由于許多輸入和輸出涉及實際模擬變量（而控制器是數字的），因此PLC系統硬件設計任務側重于對數模轉換器（DAC）和模數轉換器（ADC）的要求、輸入和輸出信號調理以及輸入和輸出模塊的電氣布線與控制器之間的隔離。

I/O模塊的分辨率通常在12位至16位之間，在整個工業溫度范圍內精度為0.1%。模擬輸出電壓和電流范圍包括±5 V、±10 V 或 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V 以及 4 至 20 mA 或 0 至 20 mA。DAC的建立時間要求從10 μs到100 ms不等，具體取決于應用。模擬輸入范圍可小至±10 mV（橋式傳感器）、大至±10 V（執行器控制器）或4至20 mA電流（工業過程控制系統）。轉換時間取決于所需的精度和ADC架構的選擇，從每秒10個樣本到每秒數百千個樣本不等。

數字隔離器（光耦合器或電磁隔離器）用于將系統現場側的ADC、DAC和信號調理電路與數字側的控制器隔離開來。如果系統還必須在模擬側完全隔離，則輸入或輸出的每個通道上都需要一個轉換器，以最大限度地提高通道之間的隔離度，并且需要通過變壓器或ADI公司的isoPower隔離電源?科技。

iCMOS?過程

ADI公司用于PLC設計輸入和輸出部分的許多產品都受益于iCMOS，這是一種新型高性能制造工藝，將高壓硅與亞微米CMOS以及互補的雙極性技術相結合。

這種強大的組合允許單芯片設計將 5V CMOS 電路與更高電壓的 16、24 或 30V CMOS 電路混合搭配，多個電源為同一芯片供電。憑借這種組合組件和工作電壓的靈活性，亞微米iCMOS器件可以具有更高的性能、更集成的功能集和更低的功耗，并且需要比前幾代高壓產品更小的電路板面積。雙極性技術為 ADC、DAC 和低失調放大器提供精確的基準電壓源、出色的匹配性和高穩定性。

薄膜電阻器具有 12 位初始匹配、16 位修整匹配以及比傳統多晶硅電阻高 20 倍的溫度和電壓系數，是高精度、高精度數模轉換器的理想選擇。片內薄膜保險絲允許使用數字技術校準高精度轉換器中的積分非線性度、失調和增益。

可編程控制器輸出模塊

PLC 系統模擬輸出（通常用于控制工業環境中的執行器、閥門和電機）采用標準模擬輸出范圍，例如 ±5 V、±10 V、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、4 至 20 mA 或 0 至 20 mA。模擬輸出信號鏈通常包括數字隔離，用于將控制器的數字輸出與DAC隔離和模擬信號調理。數字隔離系統中的轉換器主要使用3線或4線串行接口，以最大限度地減少所需的數字隔離器或光耦合器數量。

PLC系統模擬輸出模塊通常使用兩種架構：每通道DAC和每通道采樣保持。第一種在每個通道中使用專用DAC來產生其模擬控制電壓或電流。各種可用的多個DAC以較低的每通道成本提供經濟的空間，但需要通道間隔離的通道通常采用單通道DAC。圖2顯示了每通道DAC的典型配置。最簡單的DAC是低壓單電源類型，采用2.5 V至5.5 V電源供電，輸出范圍為0 V至V裁判.它們的輸出信號可以調節以產生任何所需的電壓或電流范圍。需要雙電源的雙極性輸出轉換器可用于必須提供雙極性輸出電壓范圍的輸出模塊。

圖2.每通道DAC架構。

表1顯示了適合實現PLC輸出模塊的16位多通道D/A轉換器。這些產品提供雙極性或單極性輸出范圍，建立時間為10 μs。這些系列的其他成員提供 12 位和 14 位分辨率，與 16 位版本引腳兼容，允許從 12 位直接升級到 16 位，無需更改硬件和最少的軟件更改。這些器件大多包括片內基準電壓源，從而提供完全集成的輸出解決方案。

四通道D/A轉換器非常適合非隔離式多通道輸出設計，其中使用外部信號調理電路可以實現多達四種不同的輸出配置。例如，圖3顯示了5664位四通道電壓輸出DACAD16R如何提供其指定的0 V至5 V輸出范圍，或者如何利用外部四通道運算放大器連接各種標準輸出電壓范圍或灌電流輸出。在雙極性輸出配置中，其內部基準的外部輸出提供必要的跟蹤失調電壓。AD5664R采用5 V單電源供電，內置2.5 V、5 ppm/°C基準電壓源，采用微型3 mm×3 mm LFCSP封裝。

圖3.使用多通道 D/A 轉換器實現 ±5V、±10V、0V 至 10V、0V 至 5V 和吸電流輸出。

圖4所示為隔離式4至20 mA電流環路控制電路中的單通道轉換器。AD5662采用SOT-23封裝，非常適合需要模擬輸出通道之間完全隔離的應用。

圖4.4至20mA電流控制電路。

AD5662的最大輸出電壓范圍為5 V，由基準電壓源ADR02提供，基準電壓源從可變環路電壓獲得精確的穩壓電源。5V DAC輸出范圍通過運算放大器和晶體管電路轉換為4至20mA電流輸出。由于運算放大器（N1）的同相輸入是虛擬地，因此運算放大器調節電流，我S，以保持相等的壓降RS和R3因此

N2處的電流總和提供環路電流，

對 N1 處的電流求和：

環路電流的4 mA失調分量由基準電壓源提供：

環路電流的可編程0至16mA分量由DAC提供：

每通道采樣保持

另一種架構使用開關電容和緩沖器作為采樣保持放大器（SHA），以存儲來自單個高性能DAC的選定輸出樣本，如圖5所示。使用模擬多路復用器在各種電容器之間切換樣品。由于系統的保持精度由電容器的下降速率決定，因此通道會頻繁刷新以保持所需的精度。根據輸出要求，DAC可以是低壓單電源轉換器或雙極性輸出轉換器。緩沖器可提供信號調理，為電容器提供高輸入阻抗，并為驅動輸出負載提供低輸出阻抗。

圖5.單DAC架構。

表2顯示了一系列單通道、16位D/A轉換器，滿量程建立時間為4 μs至10 μs。它們非常適合采樣保持輸出架構，采用小尺寸表面貼裝封裝。

開關和多路復用器

對于需要低毛刺和低電荷注入的低電容開關的采樣保持和其他數據采集應用，基于iCMOS設計的ADG12xx/ADG13xx系列±15 V開關和多路復用器非常有用。

對于需要極低導通電阻的其他應用，ADG1408和ADG1409±15 V多路復用器在整個信號范圍內提供最大9 V電壓。除了具有低 R上，其出色的導通電阻平坦度（帶電壓電平）使其成為低失真對于可靠、可預測的電路性能至關重要的應用的理想解決方案。

表3列出了電容、電荷注入和R上用于選擇 iCMOS 開關和多路復用器。它們與流行的早期類型ADG508/ADG509進行了比較。

電源和數字信號的電氣隔離

在PLC、過程控制、數據采集和控制系統中，數字信號從各種傳感器傳輸到中央控制器進行處理和分析。為了在用戶界面上保持安全電壓，并防止瞬變從電源傳輸，需要電氣隔離。最常用的隔離器件是光耦合器、基于變壓器的隔離器和容性耦合隔離器。

流行的光耦合器包含發光二極管（LED）和光電探測器（將光轉換回電信號）。一般來說，它們的LED的特點是轉換效率低，而光電探測器的特點是響應慢;總體而言，光耦合器的壽命往往有限，而且性能隨溫度、速度和功耗變化過大。它們通常僅限于單通道或雙通道配置，并且需要外部組件來配置完整的功能。

ADI公司開發了一種新的隔離方法，將芯片級變壓器技術與集成CMOS輸入和輸出相結合。這些i耦合器器件易于使用，與光耦合器相比，具有更小的尺寸、更低的成本和更低的功耗要求。i耦合器提供多種通道配置和性能水平，具有標準CMOS接口，無需外部元件，并在溫度、電源電壓和使用壽命內提供高性能和穩定性。典型的i耦合器隔離IC，ADuM2400四通道隔離器及其接口和耦合變壓器，如圖6所示。?

圖6.ADuM2400四通道隔離器框圖

我耦合器的數據速率和時序規格比常用的高速光耦合器快 1 到 50 倍，其工作功耗僅為光耦合器的 4/<>，散熱也相應更少，可靠性更高，成本更低。表 <> 顯示了可用的通道配置選項。

在完全隔離的系統中，從系統側到現場側提供隔離電源是另一個新興解決方案的挑戰。用于跨越隔離柵傳輸功率的傳統技術包括單獨的、相對大、昂貴的DC-DC轉換器，或者難以設計和接口的分立組件。目前可提供高達50 mW功率的更新、更好的方法是使用完整的、完全集成的隔離解決方案，包括使用微變壓器跨越隔離柵進行信號和功率傳輸。ADuM524x isoPower系列產品可在單個元件內為信號和電源提供高達5 kV的隔離，無需單獨的隔離電源，并顯著降低了隔離系統總成本、電路板面積要求和設計時間。典型器件如圖7所示。所有產品均已獲得UL，CSA和VDE安全認證。

圖7.集成DC-DC轉換器（5242/0通道方向性）的雙通道隔離器

ADuM2

框圖。

PLC 輸入模塊

PLC系統的架構和輸入模塊產品的選擇取決于需要監控的輸入信號電平。來自要監控的各種類型的傳感器和過程控制變量的信號可能涉及±10 mV至±10 V的輸入信號范圍。下表列出了一些源及其典型的輸入范圍要求。

模擬量輸入模塊低電平信號范圍

各種 A/D 轉換器類型可用于工業和 PLC 應用，包括逐次逼近 （SAR）、閃存/并行、積分（包括 Σ-Δ）和斜坡/計數。為特定應用選擇ADC主要取決于輸入傳感器所需的輸入信號范圍，以及所需的精度、信號頻率成分、最大信號電平和動態范圍。使用最廣泛的架構是逐次逼近和Σ-Δ。

逐次逼近型ADC提供12位至18位的高吞吐速率分辨率;它們非常適合多通道多路復用應用，在這些應用中，需要以合理的高采樣速率監控多個輸入通道。

Σ-Δ 架構提供 16 位至 24 位的分辨率。它們采用高過采樣率和數字濾波來實現高分辨率和精度，但吞吐率低于SAR類型。Σ-Δ架構通常在前端集成可編程增益放大器（PGA）;在每通道轉換器應用中，這允許傳感器和ADC之間直接接口，無需信號調理。

測量來自熱電偶、應變計和橋式壓力傳感器的低電平信號時，一個關鍵要求是能夠執行差分測量以抑制共模干擾，并在存在噪聲的情況下提供更穩定的讀數。例如，在工業應用中，差分輸入用于消除共模噪聲或來自電機、交流電源線或噪聲源的干擾，這些噪聲源將噪聲注入A/D轉換器的模擬輸入。

單端輸入成本較低，對于相同數量的輸入引腳，輸入通道數是其兩倍，因為它們每個通道只需要一個模擬輸入，并且都以同一接地點為基準。它們主要用于具有高信號電平、低噪聲和穩定公共接地的應用。

圖8顯示了隔離式PLC輸入模塊分立實現中可能包含的許多元件，包括激勵和輸入信號調理、用于處理大量輸入信號的故障保護多路復用器、可編程增益放大器和A/D轉換器。其中許多功能以前由分立的IC和無源元件集合組裝而成，現在可在A/D轉換器和模擬前端IC中完全集成和表征。

圖8.典型離散 PLC 輸入模塊中體現的功能。

例如，帶有內部基準電壓源的iCMOS PulSAR ADC的AD761x（16位）和AD763x（18位）系列提供可編程輸入電壓范圍（0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V和±10 V），允許設計人員即時更改輸入。對于這些器件，所有切換均通過內部寄存器完成，從而消除了數據延遲并提高了通道切換速度。表5顯示了一系列非常適合PLC應用的16位/18位PulSAR ADC。?

另一個集成度更高的示例是AD7792 / AD7793 / AD7794 / AD7795 / AD7798 / AD7799系列Σ-Δ型ADC。除了超低噪聲（40 nV）和低功耗要求（400 μA）外，該系列還提供片內PGA（增益范圍為1至128）、基準電壓源、傳感器激勵電流源和時鐘等特性，采用小型TSSOP封裝。極低噪聲和低功耗的結合使這些器件非常適合需要高精度測量的應用。

在許多應用中，這些ADC可以直接連接到傳感器接口，包括PLC、溫度測量、電子秤、壓力和流量測量以及通用測量設備。其更新速率可在 4 Hz 至 500 Hz 范圍內編程，并以選定的更新速率同時抑制 50 Hz 和 60 Hz 信號。表6顯示了AD779x系列轉換器的特性和功能。

圖9所示為使用AD7794/AD7795測量橋式傳感器和基于電阻的溫度傳感器輸入信號的典型配置。

圖9.使用AD7794/AD7795進行低電平測量。

當PLC和工業I/O中需要具有高達±10 V電壓輸入能力的高精度故障保護模擬測量，并且需要多通道的高吞吐量時，AD7732（兩個全差分輸入通道）、AD7734（四個單端輸入通道）和AD7738（四個全差分或八個單端輸入通道）是理想的選擇。

圖10顯示了使用AD7734測量PLC和過程控制應用中常見的高電平信號的典型配置。模擬前端具有四個單端輸入通道，單極性或真雙極性輸入范圍可達 ±10 V，同時采用 5V 單模擬電源供電。可以接受 ±16.5 V 的模擬輸入過壓，而不會降低相鄰通道的性能，并且該器件可以發出超范圍和欠范圍電壓的信號。

圖 10.使用AD7734采集高壓信號。

電壓基準

穩定、準確、低噪聲的獨立基準在某些 PLC 應用中非常重要。表7列出了多種高性能基準電壓源，從用于高端工業應用的高精度、低噪聲IC到用于手持電池供電應用的通用低功耗器件。

放大器（儀表和操作）

儀表放大器（儀表放大器）測量兩個輸入電壓之間的差值（同時抑制兩個輸入共有的任何信號），施加固定或可編程增益，并提供單端輸出，由施加在參考端子的電壓偏置。由于共模抑制（CMR）不足會導致輸出端難以消除的大時變誤差，因此現代儀表放大器可提供80 dB至120 dB的直流和低頻CMR。儀表放大器在數據采集、PLC 和工業過程控制應用中從傳感器和其他信號源中提取小信號方面發揮著重要作用。與所有直流放大器一樣，儀表放大器必須具有低直流失調電壓和漂移。

AD8220是一款高度通用的儀表放大器，可用于各種應用，例如傳感器（如應變計）和ADC之間的信號調理、醫療應用中的可編程邏輯控制器、數據采集卡和模擬I/O卡。它提供 1 至 1000 的電阻可編程增益，具有 80dB CMR、1mV 失調和 10μV/°C 漂移。

運算放大器是模擬電路的“主力軍”，ADI公司提供當今市場上最大的運算放大器系列之一。創新設計，結合最近的IC工藝發展，如高壓i CMOS和高性能iPolar ?，使得為工業市場推出性能顯著提高、功能更豐富的器件成為可能，其電路板空間僅為舊工藝幾何形狀的四分之一。表 8 和表 9 分別概述了 PLC 應用中常用的單通道和多通道放大器產品。它們可輕松處理支持 ±10V 輸出范圍通常需要的高電源電壓，并且具有低失調電壓和低電源電流的特點，并且采用小型封裝。

結論

PLC的工業系統設計人員繼續推動更高的性能和功能，預算不斷減少，電路板面積不斷縮小。為了提供能夠滿足這些嚴格要求的集成電路，并競爭信號鏈中所有重要的插座，ADI公司開發了重要的新制造工藝。iCMOS工藝技術將高壓硅與亞微米CMOS和互補的雙極性技術相結合，使模擬IC能夠以更小的尺寸、更高的性能和更低的成本實現30 V工作（許多工業應用都需要）。我基于芯片級變壓器（而不是LED和光電二極管）的耦合器隔離技術可以與CMOS半導體功能集成，以實現低成本隔離。iPolar溝槽隔離工藝允許高達±18 V的電源電壓，與傳統的雙極性放大器相比，性能顯著提高，同時將功耗降低一半，封裝尺寸降低多達75%。這些技術很好地滿足了當前的需求，并面臨著輝煌的未來。

審核編輯：郭婷