PLC评估板在工业过程控制系统中的应用

仪表放大器经常被用于处理模拟输入信号。这些精密的、低噪声器件对干扰很敏感，因此流进模拟输入端口的电流应被限制在几毫安以下。外部肖特基二极管通常可保护仪表放大器。即使在已具有内置ESD保护二极管的情况下，采用外部二极管也可使限制电阻更小并减小噪声和偏移误差。双肖特基势垒二极管D4-A和D4-B驱动过流到达电源或地。

当把连接外部传感器例如热电偶(TC)或电阻温度检测器(RTD)直接连到ADC时，需要类似的保护，如图15所示。

图15. 模拟输入保护。

• 两个TVS网络(D5-C和D5-D)被放在J2输入管脚后，以抑制来自端口的瞬态信号。
• C7、C8、C9、R9和R10构成ADC前面的RF衰减滤波器。这个滤波器有三个作用：从输入线路中去掉尽可能多的RF能量，以保持每条线路和地之间的交流信号平衡，并维持足够高的测量带宽输入阻抗，以避免载入信号源。该滤波器在-3dB差分和共模带宽分别是7.9kHz和1.6MHz。

模拟输出保护： PLC评估系统可通过软件配置为各种范围内的输出模拟电压或电流。输出信号由AD5422提供，该器件是一款高精度、低成本、完全集成的16位数模转换器，它能提供可编程电流源和可编程电压输出。AD5422的电压和电流输出可被直接连到外部负载上，因此它们易受到电压浪涌和EFT脉冲的影响。

输出电路结构如图16所示。

图16. 模拟输出保护。

• 一个TVS(D11)被用于滤除并抑制来自端口J5的所有瞬态信号。
• 一个绝缘的陶瓷铁氧体磁珠(L3)串联进输出路径，以增加对高频瞬态噪声的隔离和去耦效果。在低频(100 kHz)时，铁氧体被感应；因此它们在低通LC滤波器中是有益的。在100kHz以上，铁氧体不能被感应，这是高频滤波器设计中的一个重要特性。铁氧体磁珠具有三个作用：局部化系统噪声，阻止外部高频噪声到达AD5422，并防止内部产生的噪声波及系统其余部分。当铁氧体处于饱和状态时，它们就变成非线性的并会损失滤波特性。因此，铁氧体的直流饱和电流一定不能超出其限制范围，特别是当产生高电流时。
• 双肖特基势垒二极管D9-A和D9-B将所有的过流都转移到正或负电源。在AD5422驱动1μF容性负载时，C22提供电压输出缓冲以及相位补偿。
• 电流输出通道上的保护线路与电压输出通道上的相当类似，只是用一个10Ω电阻(R17)取代了铁氧体磁珠。从AD5422输出的电流被外部的分立式NPN晶体管Q1提升。通过减小流入片上输出晶体管的电流，外部升压晶体管的加入将减少AD5422中的功率损耗。Q1的击穿电压BVCEO应大于60V。在AD5422被用于极端供电电压、负载电流和温度范围情况的应用中，这种外部升压能力是很有益的。升压晶体管还可被用于减少温度感应漂移，从而使片上基准电压的漂移达到最小，并改善器件的漂移和线性度。
• 一个15kΩ的精密低漂移电流设置电阻(R15)被连接到RSET，以改善电流输出稳定性。
• 在AD5422由外部电压驱动时，PLC演示系统可被配置为提供高于15V的电压输出。TVS用于保护电源输入端口。二极管D6和D7提供反向偏置保护。所有电源采用10μF的固态钽电容和0.1μF的陶瓷电容去耦。

IEC测试及结果：表3中的结果显示出在测试期间发生的DAC输出偏离情况。测试完成之后输出值恢复到初始值，这一般是指B级。A级意味着在测试期间，偏离值处于允许的系统精度范围内。典型的工业控制系统精度大约是0.05%。

表3. IEC测试结果。

图17. DAC通道直流电压输出。辐射抗扰度 80MHz至1GHz @ 10V/mH。

图18. DAC通道1直流电压输出。辐射抗扰度 1.4MHz至2GHz @ 3V/mH。

典型系统配置：图19的照片展示了评估系统以及如何配置一个典型系统。输入通道可接受环路供电和非环路供电传感器输入，以及标准工业电流和电压输入。完整的设计采用ADI的转换器、隔离技术、处理器，以及电源管理产品，使客户能够轻松评估整个信号链。

图19. 工业控制评估系统。