PLC评估板简化工业过程控制系统设计

评估板和PC之间的通信通过ADM3251E提供，该器件与RS-232收发器隔离。ADM3251E结合了isoPower技术，无需另外的隔离式DC-DC转换器。它非常适于严苛电力环境下的操作，或者需要频繁插拔RS-232电缆的场合，因为RS-232的引脚，包括Rx和Tx，都需要防范±15kV的静电放电干扰。

评估系统软件和评估工具：这套评估系统具有多种功能。与PC的通信可通过LabView8实现。微控制器(ADuC7027)的固件用C语言编写，能够控制往来ADC和DAC通道的低级命令。

图9所示为主屏幕界面。左侧的下拉菜单使用户能够选择激活的ADC和DAC通道。在每一个ADC和DAC菜单下方是一个范围设置下拉菜单，用于选择期望的输入和输出范围进行测量和控制。它支持的输入和输出范围包括：4mA至20mA、0mA至20mA、0mA至24mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。通过利用内置的PGA，ADC可直接提供小的信号输入范围。

图9. 评估软件主屏幕控制器。

图10所示的是ADC配置屏，用于设置ADC通道、更新速率和PGA增益；使能或禁止激励电流；以及其它通用ADC设置。通过将相应的DAC输出通道连接到ADC输入端，并调整每个范围，可以校准每个ADC通道。采用这种校准方法时，AD5422的偏移和增益误差指示每个通道的偏移和增益。如果这些不够精确，可采用超高精度电流和电压源进行校准。

图10. ADC配置屏幕。

在选择ADC的输入通道、输入范围和更新速率之后，现在我们利用ADC Stats屏幕，如图11所示，显示一些被测量的数据。在这个屏幕上，用户选择数据点的数目进行记录；软件生成所选通道的柱状图，计算峰-峰(P-P)和有效值(RMS)噪声并显示结果。在此处显示的测量范例中，输入信号通过AD8220被连接到AD7793：增益=1，更新速率=16.7Hz，采样数=512，输入范围=±10V，输入电压=2.5V。峰-峰分辨率为18.2位。

图11. ADC统计屏幕。

在图12中，输入信号被直接连接到AD7793，绕过AD8220。片上2.5V基准电压被直接连到AD7793的AIN+和AIN–通道，提供一个0V的差分信号给ADC。峰-峰分辨率是20.0位。如果ADC条件保持相同，但2.5V的输入被连接到AD8220，则峰-峰分辨率下降到18.9位，其原因有两个：在低增益时，AD8220带给系统一些噪声；提供输入衰减的可调电阻导致ADC出现一些范围损失。PLC评估系统允许用户改变可调电阻以优化ADC的满量程范围。

图12. AD7793性能。

电源输入保护：PLC评估系统采用针对电磁兼容(EMC)的最佳实践。一个稳压直流电源(18V至36V)通过2线或3线接口连接到板上。电源必须防范故障和电磁干扰(EMI)。如图13所示，在板级设计中采取下列防御措施，以确保PLC评估系统免于电源端口可能产生的各种干扰。

图13. 电源输入保护。

• 压敏电阻R1被连接到靠近电源输入端口的地。在常规操作期间，R1的阻抗非常高(兆欧姆)，因此漏电流很低(微安培)。当一个电流浪涌(例如由闪电引起)被感应到电源输入端口时，压敏电阻击穿，微小的电压变化就会导致快速的电流变化。在数十纳秒(ns)内，压敏电阻的阻抗显著下降。这种低阻抗路径可使得多余的能量浪涌返回到输入端，这样就保护了IC线路。3个可选的压敏电阻(R2、R3和R4)也被连接到输入路径中，以便在PLC板采用3线配置供电时提供保护。这些压敏电阻的成本一般低于1美元。
• 一个正温度系数电阻PTC1与电源输入走线串联连接。在常规运行期间，PTC1的阻抗非常低，对电路的其余部分没有影响。当电流超出标称值时，PTC1的温度和阻抗都会迅速增加。这种高阻抗模式限制了电流并保护了输入电路。当电流减少到标称值时，阻抗就回到标准值。
• 当PLC板浮动时，Y电容器C2、C3和C4可抑制共模传导EMI。这些安全电容器要求具有低阻抗和高耐压的特性。设计人员必须采用具有UL或CAS认证的Y电容器，并遵守绝缘强度法规标准。
• 电感器L1和L2滤掉从电源端口进入的共模传导干扰信号。二极管D1保护系统不受反向电压影响。工作电流下规定了一个低的正向电压的通用硅或肖特基二极管可被使用。

模拟输入保护：PLC板能够提供电压和电流输入。图14所示为输入电路结构。负载电阻R5被切换进电路以实现电流模式。电阻R6和R7削弱输出信号。电阻R8设置AD8220的增益。这些模拟输入端口会受到外部终端连接的电涌和静电放电干扰。瞬态电压抑制器(TVS)可提供高效保护使其免受放电干扰。当一个高能量瞬态电压出现在模拟输入端口时，TVS在几纳秒内从高阻抗降到低阻抗。它能吸收功率高达数千瓦的浪涌信号，并将模拟输入信号钳制到一个预置电压，这样就保护精密器件免受浪涌损害。TVS的优点包括具有快速响应时间、高瞬态吸收功率、低漏电流、低击穿电压误差，以及小封装尺寸。

图14. 模拟输入保护。