完整、高分辨率和多功能双极性DAC易于使用的通用解决方案

作者：Estibaliz Sanz Obaldia and Junifer Frenila

随着当前的市场动态不断朝着更短的设计周期、增强的系统功能和更便携的终端系统的方向发展，必须采用新的方法来简化这些挑战，而不会增加设计复杂性。本文 将 解决 控制 和 测量 的 一些 关键 系统 挑战， 这些 挑战 是 众多 应用 的 热门 主题， 包括 数据 采集 系统、 工业 自动化、 可 编 程 逻辑 控制器 和 电机 控制。它将探讨双极性数模转换器（DAC）架构的最新进展，以及这些拓扑如何应对终端系统挑战，例如在相同或更小的空间内添加更多功能和智能。本文将探讨离散和功能更完整的解决方案。最后，它将概述传统设计拓扑的许多替代方案，这些替代方案支持更高的设计重用和系统模块化灵活性。

应该注意的是，下图不是实际的原理图，而是有关如何使用多功能DAC和其他组件实现应用的插图。虽然它不包括电源电路、旁路和其他无源元件等方面，但这些图表说明了如何实现一般应用。

数据采集系统

数据采集系统 （DAQ） 用于使用微控制器或微处理器 （MPU） 测量电气或物理奇异点，例如电压、电流或压力，以实现数据处理能力。DAQ 由 传感器、 放大器、 数据 转换 器 和 带 嵌入式 软件 的 控制器 组成， 用于 控制 采集 过程。

在过程控制应用中，传感器的灵敏度足以保持待测信号的质量至关重要。但即使传感器足够灵敏，增益和失调等信号链误差仍可能干扰信号质量。高性能应用采用DAC自动校准数据采集系统中的调理电路。图1显示了压力传感系统的框图。它说明了AD5761R等双极性DAC及其产品系列如何用于自动增益和失调校准方案。

精密桥式传感器接收来自压力传感器的激励信号并产生输出电压。由于换能器信号的幅度较低，仪表放大器通常用作信号倍增器。这种低幅度信号容易出错。此类误差通常是由温度变化引起的漂移、电路板上的寄生误差以及无源元件的容差引起的。

使用AD5761R，可以在系统中实现增益和失调校准，以便在系统随时间推移运行时动态校正误差。根据调整水平和所需的极性，完整的高分辨率多功能双极性DAC可以大大简化校准过程。AD5761R可通过高速4线SPI接口进行编程，并提供串行数据输出（SDO）线，以方便菊花链和回读操作。

图1.压力传感系统的自动校准。

工业自动化

工业自动化的应用多种多样。但是，无论存在何种应用，此类自动化系统的功能和性能都取决于其信号采集和控制单元。在采集方面，传感器的灵敏度、调理电路的适应性以及从低电平信号中获取正确信息的速度非常重要。在控制方面，适应各种执行器和驱动器要求的灵活性至关重要。

图2显示了一个工业自动化系统的示例。具有冷端补偿的热电偶用于测量激光机或重型电机等工业设备的温度。电压被收集、滤波并发送到集成模拟前端（AFE）IC进行转换，数字数据被传递到处理器进行分析。根据处理后的数据，处理器向控制DAC发送信号，该DAC也是完全隔离的，以驱动工业风扇，激活帕尔贴等冷却设备，或打开水冷系统的阀门。此外，用户可以通过控制接口设备输入覆盖命令。

压力和振动测量和控制可以采用相同的系统。压力传感器系统通常用于油罐和化学品罐监测，而陀螺仪系统通常可用于快速移动机头的振动监测。这些应用程序共享与外部环境完全隔离的同一 AFE。

AD5761R是一款高电压、高分辨率、双极性DAC，具有低漂移内部基准电压源和软件可选输出范围，是多个DAC或单个多路复用DAC的实用替代品。它提供单极性和双极性电压，同时通过超量程输出选项保持相同的精度。该双极性DAC支持执行器所需的不同需求，包括通过软件调整控制单元，避免硬件修改。

AD5761R及其产品系列采用小型封装（3 mm×3 mm引线框架芯片级封装（LFCSP）和16引脚薄型收缩外形封装（TSSOP），支持–55°C至+125°C的宽工作温度范围。 这种新的工业控制方法基本上有助于最大限度地减少电路板空间并降低成本。

图2.工业自动化系统的简化图。

可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器 （PLC） 包含电源、中央处理单元以及多个模拟和数字 I/O 模块，用于控制、驱动和监控复杂的机器变量。PLC 广泛应用于各行各业，它们具有扩展的温度范围、抗电噪声能力以及抗振动和抗冲击性。基本过程控制系统构建模块如图3所示。报告过程变量状态的输入信号通过输入模块进行监控，并传输到MCU进行分析。根据该分析的结果，输出模块管理包含必要安排的响应，以控制系统中的设备。

图3.过程控制系统构建块。

图4显示了一个更完整的工业PLC系统，包括一个嵌入式控制器/处理器作为主系统控制器与完全隔离的输入和输出模块接口。除电源模块外，系统分为四个子系统，分别区分模拟输入、模拟输出、数字输入和模拟输出模块。部署了几种类型的传感器来获取不同幅度和频率的模拟信号。这些信号需要经过预处理并转换为数字形式以供进一步分析。可编程增益放大器对小输入信号进行调理，以便通过模数转换器（ADC）对其进行精确测量并将其转换为数字表示。需要隔离以保护控制器或处理器免受来自现场的意外过压的影响，为此，在处理器和输入输出模块之间放置了光学或集成隔离器。

图4.完整PLC系统的框图。

输入和输出模块的精度和分辨率要求相当不同。虽然需要输入模块来监控过程中的高精度和准确的数据采集，但在高端应用中，输出模块基本上以16位分辨率和精度调整输出。由于这些条件，Σ -Δ ADC通常用于PLC系统中的输入模块，市场上有各种隔离式、单通道/多通道和同步采样ADC。

输出模块可提供精密电压DAC、精密电流DAC或两者的组合。有几种方法允许为PLC的模拟输出生成电流和电压电平。AD5761R等精密双极性DAC的发展提供了额外的功能和高集成度，大大降低了PLC系统的复杂性、电路板尺寸和成本。

电机控制

DAC在电机控制环路中执行不可或缺的功能;例如，在输液泵系统中。输液泵广泛用于人类医疗保健，为所有年龄段的患者提供医疗服务。输液泵的作用是以间歇性或连续性的方式向患者的心血管系统输送液体、药物或补充剂。

尽管输液泵需要合格的用户对治疗的特定参数进行编程，但与手动给药相比，其相关优势会影响提高用户的信心。这些仪器能够在自操作模式下按预定的时间间隔准确输送微量剂量，无需护士或医生手动控制流向患者的液体流量。医生和医疗管理人员可以依靠输液泵系统的安全性来显示有关滴定安全性的剂量限制的实时系统信息，以防止过量，以及物理输送机制本身的可靠性和准确性。

图5.大容量输液泵系统。

在运行期间，微控制器从直流电机接收受监控的速度和方向信号，并对其进行分析和调整（如果需要）以满足设定值。前馈路径中的DAC为系统提供调整，而反馈路径中的ADC监视每次调整的效果。DAC设置的所需设定点电压通过驱动器网络放大，为直流电机提供所需的驱动电流。

ADI提供高性能模拟和混合信号处理解决方案，用于检测、测量和控制化学分析仪、流式细胞仪、输液泵、透析设备、呼吸机、导管和更多医疗器械中使用的传感器和执行器。特别是，AD5761R是一款高分辨率、双极性DAC，具有8个软件可选输出范围，同时保持通用精度，是电机控制应用的理想器件，支持电机所需的不同电压摆幅。

结论

DAC在确定许多控制系统和简单转换电路以及其他复杂应用的性能和精度方面发挥着关键作用。AD5761R及其产品系列是一款完整的16位分辨率精密双极性DAC，具有多个可编程输出范围，适合上述应用。AD5761R系列DAC具有高度可配置的范围（0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至16 V、0 V至20 V、±3 V、±5 V、±10 V和−2.5 V至+7.5 V;5%超量程），使该系列DAC成为数据采集系统通用解决方案。 工业自动化、可编程逻辑控制器和电机控制器。AD5761R产品系列中的集成包括输出缓冲器和2 ppm/°C缓冲内部基准电压源，可显著简化电路板设计，减小电路板尺寸，并最大限度地降低功耗和成本。

审核编辑：郭婷