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作者：Gordon Lee，技術(shù)團(tuán)隊(duì)資深成員，Maxim Integrated 引言 在當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，復(fù)雜的控制系統(tǒng)代替人工來操作不同的機(jī)器和過程。術(shù)語“自動(dòng)化”指其智能化足以制定正確的過程決策從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)果的系統(tǒng)。我們這里所說的“系統(tǒng)”是指閉環(huán)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)依賴于輸入至控制器的傳感器數(shù)據(jù)，提供反饋，控制器據(jù)此采取措施。這些措施就是控制器輸出的變化。通過確保高性能、高可靠性工業(yè)操作，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代化工業(yè)4.0工廠的工業(yè)自動(dòng)化和效率至關(guān)重要。 本文討論閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，重點(diǎn)關(guān)注模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的關(guān)鍵角色。文章介紹多片高速ADC和DAC作為控制系統(tǒng)核心的關(guān)鍵作用和性能優(yōu)勢。最后，我們以MAXREFDES32和MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)為例，介紹隔離電源和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)在工業(yè)閉環(huán)中的應(yīng)用。 開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)概覽 工業(yè)控制系統(tǒng)可分為兩類：開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，不提供來自于輸出的反饋。因此，控制過程只受系統(tǒng)輸入的影響。傳統(tǒng)上，電控制系統(tǒng)主要為開環(huán)，要求人工調(diào)節(jié)過程變量，以實(shí)現(xiàn)或維持預(yù)期輸出。典型的自動(dòng)噴灑系統(tǒng)就是開環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)例子。噴灑器的控制器只知道何時(shí)打開閥門以及何時(shí)將其關(guān)閉，并不利用傳感器檢測土壤的含水量或者利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)輸入至控制器。所以，即使土壤已經(jīng)濕透或是下雨天，自動(dòng)噴灑系統(tǒng)仍然會(huì)打開閥門；只要沒有人手動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)執(zhí)行其任務(wù)。開環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)顯而易見：沒有任何反饋，系統(tǒng)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)其過程來更改其輸出。因此，開環(huán)系統(tǒng)的剛性、不靈活性使其不適合工業(yè)控制自動(dòng)化應(yīng)用的速度和可變性要求。此外，工廠需要雇傭許多人來監(jiān)督和管理系統(tǒng)！ 現(xiàn)在，我們討論一下閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)從傳感器收集反饋信息，并對(duì)其輸出做出相應(yīng)的過程調(diào)節(jié)，完全自動(dòng)化、無需人工介入。家庭中帶有溫度監(jiān)控器的暖氣系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)的例子。本例中，設(shè)定的溫度目標(biāo)是系統(tǒng)的輸入，實(shí)時(shí)環(huán)境溫度是系統(tǒng)的反饋。溫度監(jiān)控器中的溫度傳感器將溫度數(shù)據(jù)反饋給控制器。通過將檢測的環(huán)境溫度與設(shè)定的溫度目標(biāo)進(jìn)行比較，控制器做出相應(yīng)的決策，決定何時(shí)打開/關(guān)閉鍋爐或空調(diào)。 高性能閉環(huán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 電子閉環(huán)控制系統(tǒng)通常包括三種元素：控制器、反饋信號(hào)輸入(ADC)和輸出執(zhí)行器(DAC)。ADC檢測并向控制器反饋重要信息。控制器基于反饋信息制定決策，調(diào)節(jié)控制量；向DAC執(zhí)行器發(fā)送信號(hào)，后者處理控制量輸出。ADC和DAC的速度和精度對(duì)閉環(huán)至關(guān)重要。如果控制系統(tǒng)不能足夠快地響應(yīng)故障條件，就可能發(fā)生災(zāi)難性系統(tǒng)故障。 模擬輸出的高速和低噪聲性能 好的閉環(huán)控制系統(tǒng)要求ADC具有高分辨率、低失真以及快采樣率，以獲得快速、高精度反饋。 圖1和2所示為交流信號(hào)的FFT和直流直方圖結(jié)果。交流輸入信號(hào)的快速傅里葉變換(FFT)和直流輸入信號(hào)的直方圖提供了關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能的重要信息。 
圖1. 通道1 (AIN1)的交流FFT，使用板載電源；差分-12V至+12V、20kHz正弦波輸入信號(hào)；400ksps采樣率；Blackman-Harris窗；室溫。數(shù)據(jù)來自于MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)。
圖2. 通道1 (AIN1)的直流直方圖，使用板載電源；0V直流輸入信號(hào)；400ksps采樣率；65,536個(gè)采樣；編碼分散性為6 LSB，98.6%的編碼在三個(gè)中心LSB之內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.664；室溫。數(shù)據(jù)來自于MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)。 對(duì)低失真、正弦波信號(hào)的一組采樣進(jìn)行FFT分析，常用于判定A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。低失真信號(hào)源、高于被測系統(tǒng)的分辨率絕對(duì)是必不可少的。部分重要的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有： ●信噪比(SNR) ●總諧波失真(THD) ●信號(hào)與噪聲+失真比(SINAD) ●無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR) SNR為輸入信號(hào)均方根值(RMS)與A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生的RMS量化誤差之比。從圖1中400ksps高速采樣的FFT圖表可知，SNR大約為90dB。這意味著輸入信號(hào)的RMS值比RMS量化誤差大30,000倍(計(jì)算公式為XdB = 20 × log(ratio))。顯而易見，比值越大，A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的量化誤差越小。類似地，THD為輸入信號(hào)與總諧波失真之比。SINAD為輸入信號(hào)與量化誤差加諧波失真之比，SFDR為輸入信號(hào)與最大失真分量之比。 往往利用直流信號(hào)的直方圖確定A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的噪聲。由于系統(tǒng)中存在噪聲，ADC產(chǎn)生的編碼將在主值附近。編碼的分散性表示A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的噪聲信息。圖2中直方圖的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.664(相當(dāng)于16.6位的有效分辨率)，98.6%的編碼在前三個(gè)中心LSB之內(nèi)。本例中，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，系統(tǒng)噪聲越小。 單調(diào)模擬輸出的高速和高精度性能 高質(zhì)量DAC決定整個(gè)系統(tǒng)的輸出精度，對(duì)于任何控制系統(tǒng)都非常重要。幾項(xiàng)重要指標(biāo)決定模擬輸出的性能： ●積分非線性(INL) ●微分非線性(DNL) ●總不可調(diào)誤差(TUE) ●建立時(shí)間 任何實(shí)際的模擬輸出電路都有三種基本誤差：失調(diào)、增益誤差和非線性。在很多應(yīng)用中，可對(duì)失調(diào)和增益誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，但非線性誤差的修正最為困難。所以，選擇具有高線性度的DAC非常重要。INL曲線顯示理想DAC輸出與DAC實(shí)際輸出之間的偏差，其中抵消失調(diào)和增益誤差。圖3所示為帶有放大器的MAX5316 16位DAC的INL曲線。從曲線可看出，實(shí)際輸出與理想輸出之間的最大偏差大約為12 LSB。
圖3. INL，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。 DAC的單調(diào)性非常重要。DAC編碼增大時(shí)，單調(diào)DAC的輸出始終增大或最壞也保持相同。如果在閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用非單調(diào)DAC，負(fù)反饋可能變?yōu)檎答仭４送猓鶕?jù)控制理論，正反饋系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。為了確定DAC是否為單調(diào)，觀察其DNL曲線。DNL誤差是實(shí)際步長與1 LSB理想值之差。步長意味著兩個(gè)相鄰數(shù)字輸入編碼之間的輸出電壓差。圖4所示為帶放大器的MAX5316的DNL曲線。對(duì)于單調(diào)的模擬輸出，DNL曲線上的所有點(diǎn)必須大于-1 LSB。
圖4. DNL，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。 總不可調(diào)誤差(TUE)曲線顯示實(shí)際輸出電壓相對(duì)于理想輸出電壓的誤差，以滿幅百分比表示。圖5所示為帶放大器的MAX5316的TUE曲線。本例中，最大輸出誤差為滿幅的0.054%。
圖5. 總不可調(diào)輸出誤差，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。 最后，建立時(shí)間是從更新DAC輸出命令到輸出達(dá)到指標(biāo)范圍內(nèi)的規(guī)定值之間的時(shí)間間隔。建立時(shí)間受DAC和放大器擺率以及放大器過沖和振鈴的影響。例如，在MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)中，電壓輸出穩(wěn)定至2 LSB之內(nèi)只需17μs。 形成閉環(huán) 兩個(gè)新型子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)滿足“不妥協(xié)”閉環(huán)工廠環(huán)境要求。MAXREFDES71#(圖6)和MAXREFDES32#子系統(tǒng)具有足夠的靈活性，滿足使用電壓或電流信號(hào)的低速和高速閉環(huán)系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)使用兩片高速、高精度和低噪聲ADC (MAX11166)和DAC (MAX5316)。400ksps 16位輸入通道和高速16位輸出通道支持±10V和±20mA信號(hào)，再加上20%裕量。集成多種其他高精度和高速元件，集成了電源以及600VRMS數(shù)據(jù)隔離。MAXREFDES32與MAXREFDES71完全相同，只是采用反激轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生隔離電源。兩款設(shè)計(jì)連接至FMC兼容現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)/微控制器開發(fā)板。
圖6. MAXREFDES71子系統(tǒng)方框圖。 此處所示的所有數(shù)據(jù)均由MAXREFDES71#參考設(shè)計(jì)電路板產(chǎn)生。現(xiàn)在，設(shè)計(jì)者可利用比以往更快的高質(zhì)量模擬輸入和輸出構(gòu)建新型閉環(huán)工業(yè)系統(tǒng)。并且顯而易見，更可靠、更高精度的閉環(huán)系統(tǒng)有助于保證工業(yè)4.0工廠的效率和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 |
