作者：Estibaliz Sanz Obaldia and Junifer Frenila

隨著當前的市場動態不斷朝著更短的設計周期、增強的系統功能和更便攜的終端系統的方向發展，必須采用新的方法來簡化這些挑戰，而不會增加設計復雜性。本文 將 解決 控制 和 測量 的 一些 關鍵 系統 挑戰， 這些 挑戰 是 眾多 應用 的 熱門 主題， 包括 數據 采集 系統、 工業 自動化、 可 編 程 邏輯 控制器 和 電機 控制。它將探討雙極性數模轉換器（DAC）架構的最新進展，以及這些拓撲如何應對終端系統挑戰，例如在相同或更小的空間內添加更多功能和智能。本文將探討離散和功能更完整的解決方案。最后，它將概述傳統設計拓撲的許多替代方案，這些替代方案支持更高的設計重用和系統模塊化靈活性。

應該注意的是，下圖不是實際的原理圖，而是有關如何使用多功能DAC和其他組件實現應用的插圖。雖然它不包括電源電路、旁路和其他無源元件等方面，但這些圖表說明了如何實現一般應用。

數據采集系統

數據采集系統 （DAQ） 用于使用微控制器或微處理器 （MPU） 測量電氣或物理奇異點，例如電壓、電流或壓力，以實現數據處理能力。DAQ 由 傳感器、 放大器、 數據 轉換 器 和 帶 嵌入式 軟件 的 控制器 組成， 用于 控制 采集 過程。

在過程控制應用中，傳感器的靈敏度足以保持待測信號的質量至關重要。但即使傳感器足夠靈敏，增益和失調等信號鏈誤差仍可能干擾信號質量。高性能應用采用DAC自動校準數據采集系統中的調理電路。圖1顯示了壓力傳感系統的框圖。它說明了AD5761R等雙極性DAC及其產品系列如何用于自動增益和失調校準方案。

精密橋式傳感器接收來自壓力傳感器的激勵信號并產生輸出電壓。由于換能器信號的幅度較低，儀表放大器通常用作信號倍增器。這種低幅度信號容易出錯。此類誤差通常是由溫度變化引起的漂移、電路板上的寄生誤差以及無源元件的容差引起的。

使用AD5761R，可以在系統中實現增益和失調校準，以便在系統隨時間推移運行時動態校正誤差。根據調整水平和所需的極性，完整的高分辨率多功能雙極性DAC可以大大簡化校準過程。AD5761R可通過高速4線SPI接口進行編程，并提供串行數據輸出（SDO）線，以方便菊花鏈和回讀操作。

圖1.壓力傳感系統的自動校準。

工業自動化

工業自動化的應用多種多樣。但是，無論存在何種應用，此類自動化系統的功能和性能都取決于其信號采集和控制單元。在采集方面，傳感器的靈敏度、調理電路的適應性以及從低電平信號中獲取正確信息的速度非常重要。在控制方面，適應各種執行器和驅動器要求的靈活性至關重要。

圖2顯示了一個工業自動化系統的示例。具有冷端補償的熱電偶用于測量激光機或重型電機等工業設備的溫度。電壓被收集、濾波并發送到集成模擬前端（AFE）IC進行轉換，數字數據被傳遞到處理器進行分析。根據處理后的數據，處理器向控制DAC發送信號，該DAC也是完全隔離的，以驅動工業風扇，激活帕爾貼等冷卻設備，或打開水冷系統的閥門。此外，用戶可以通過控制接口設備輸入覆蓋命令。

壓力和振動測量和控制可以采用相同的系統。壓力傳感器系統通常用于油罐和化學品罐監測，而陀螺儀系統通常可用于快速移動機頭的振動監測。這些應用程序共享與外部環境完全隔離的同一 AFE。

AD5761R是一款高電壓、高分辨率、雙極性DAC，具有低漂移內部基準電壓源和軟件可選輸出范圍，是多個DAC或單個多路復用DAC的實用替代品。它提供單極性和雙極性電壓，同時通過超量程輸出選項保持相同的精度。該雙極性DAC支持執行器所需的不同需求，包括通過軟件調整控制單元，避免硬件修改。

AD5761R及其產品系列采用小型封裝（3 mm×3 mm引線框架芯片級封裝（LFCSP）和16引腳薄型收縮外形封裝（TSSOP），支持–55°C至+125°C的寬工作溫度范圍。 這種新的工業控制方法基本上有助于最大限度地減少電路板空間并降低成本。

圖2.工業自動化系統的簡化圖。

可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器 （PLC） 包含電源、中央處理單元以及多個模擬和數字 I/O 模塊，用于控制、驅動和監控復雜的機器變量。PLC 廣泛應用于各行各業，它們具有擴展的溫度范圍、抗電噪聲能力以及抗振動和抗沖擊性。基本過程控制系統構建模塊如圖3所示。報告過程變量狀態的輸入信號通過輸入模塊進行監控，并傳輸到MCU進行分析。根據該分析的結果，輸出模塊管理包含必要安排的響應，以控制系統中的設備。

圖3.過程控制系統構建塊。

圖4顯示了一個更完整的工業PLC系統，包括一個嵌入式控制器/處理器作為主系統控制器與完全隔離的輸入和輸出模塊接口。除電源模塊外，系統分為四個子系統，分別區分模擬輸入、模擬輸出、數字輸入和模擬輸出模塊。部署了幾種類型的傳感器來獲取不同幅度和頻率的模擬信號。這些信號需要經過預處理并轉換為數字形式以供進一步分析。可編程增益放大器對小輸入信號進行調理，以便通過模數轉換器（ADC）對其進行精確測量并將其轉換為數字表示。需要隔離以保護控制器或處理器免受來自現場的意外過壓的影響，為此，在處理器和輸入輸出模塊之間放置了光學或集成隔離器。

圖4.完整PLC系統的框圖。

輸入和輸出模塊的精度和分辨率要求相當不同。雖然需要輸入模塊來監控過程中的高精度和準確的數據采集，但在高端應用中，輸出模塊基本上以16位分辨率和精度調整輸出。由于這些條件，Σ -Δ ADC通常用于PLC系統中的輸入模塊，市場上有各種隔離式、單通道/多通道和同步采樣ADC。

輸出模塊可提供精密電壓DAC、精密電流DAC或兩者的組合。有幾種方法允許為PLC的模擬輸出生成電流和電壓電平。AD5761R等精密雙極性DAC的發展提供了額外的功能和高集成度，大大降低了PLC系統的復雜性、電路板尺寸和成本。

電機控制

DAC在電機控制環路中執行不可或缺的功能;例如，在輸液泵系統中。輸液泵廣泛用于人類醫療保健，為所有年齡段的患者提供醫療服務。輸液泵的作用是以間歇性或連續性的方式向患者的心血管系統輸送液體、藥物或補充劑。

盡管輸液泵需要合格的用戶對治療的特定參數進行編程，但與手動給藥相比，其相關優勢會影響提高用戶的信心。這些儀器能夠在自操作模式下按預定的時間間隔準確輸送微量劑量，無需護士或醫生手動控制流向患者的液體流量。醫生和醫療管理人員可以依靠輸液泵系統的安全性來顯示有關滴定安全性的劑量限制的實時系統信息，以防止過量，以及物理輸送機制本身的可靠性和準確性。

圖5.大容量輸液泵系統。

在運行期間，微控制器從直流電機接收受監控的速度和方向信號，并對其進行分析和調整（如果需要）以滿足設定值。前饋路徑中的DAC為系統提供調整，而反饋路徑中的ADC監視每次調整的效果。DAC設置的所需設定點電壓通過驅動器網絡放大，為直流電機提供所需的驅動電流。

ADI提供高性能模擬和混合信號處理解決方案，用于檢測、測量和控制化學分析儀、流式細胞儀、輸液泵、透析設備、呼吸機、導管和更多醫療器械中使用的傳感器和執行器。特別是，AD5761R是一款高分辨率、雙極性DAC，具有8個軟件可選輸出范圍，同時保持通用精度，是電機控制應用的理想器件，支持電機所需的不同電壓擺幅。

結論

DAC在確定許多控制系統和簡單轉換電路以及其他復雜應用的性能和精度方面發揮著關鍵作用。AD5761R及其產品系列是一款完整的16位分辨率精密雙極性DAC，具有多個可編程輸出范圍，適合上述應用。AD5761R系列DAC具有高度可配置的范圍（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），使該系列DAC成為數據采集系統通用解決方案。 工業自動化、可編程邏輯控制器和電機控制器。AD5761R產品系列中的集成包括輸出緩沖器和2 ppm/°C緩沖內部基準電壓源，可顯著簡化電路板設計，減小電路板尺寸，并最大限度地降低功耗和成本。

審核編輯：郭婷