可編程邏輯控制器 (PLC) 是自動化領域(尤其是工廠自動化)的重要組成部分。PLC 分為電壓和電流輸入，并將實際信號轉換為數字信號。在這里，具有多個通道數的模擬輸入模塊可以處理各種測量，具體取決于需求和測量類型。

根據設計，模擬前端和數字化的組件選擇可能會有很大差異，并且取決于模擬前端的輸入阻抗、通道數以及單端或差分配置等參數。

主要的設計考慮因素可能包括：

· 系統(tǒng)精度以及可重復性是選擇過程中的關鍵部分，依賴于模數轉換器 (ADC) 以及模擬前端的精度。

· 使用低失調漂移放大器和儀表放大器有助于維持足夠的誤差預算，而低噪聲運算放大器有助于實現更高的有效位數或無噪聲分辨率。

· 考慮功耗以及系統(tǒng)獲取和處理數據的速度。

· 工藝技術，在選擇可接受的速度功率比時，這一點很重要。

· 轉換器采用逐次逼近寄存器 (SAR) 拓撲，而雙極技術可提供更高的效率且不影響性能。

在多路復用系統(tǒng)中使用運算放大器

一些模擬輸入模塊使用多路復用器來實現一次一個測量。例如，您可以測量壓力，然后使用電阻溫度檢測器監(jiān)測溫度。在這種情況下，從負電壓切換到正電壓的多路復用器會在運算放大器的輸入端產生較大的差分電壓，并使輸入保護二極管正向偏置。

一旦二極管正向偏置，從二極管發(fā)出的漏電流就會影響放大器輸出的穩(wěn)定時間，進而影響數字化。多路復用器友好型運算放大器使用不同的保護方案來繞過傳統(tǒng)的內部二極管，并有助于大幅改善整體穩(wěn)定時間。

與阻抗大于 1 MΩ 的現場變送器接口的模擬輸入模塊通常需要選擇 MOSFET 輸入運算放大器。結型場效應晶體管 (JFET) 輸入放大器也具有非常高的輸入阻抗，但共模輸入電壓范圍要窄得多。如果您需要高效率而不影響噪聲性能，雙極運算放大器具有最佳的速度功率比。傳統(tǒng)雙極設計的代價是輸入偏置電流大得多或輸入阻抗低得多。

為了解決雙極設計的缺點，您可以選擇實施超級 beta 拓撲。直流精度和交流性能使此類精密運算放大器能夠靈活適用于 PLC 內的各種模擬輸入模塊。

下圖有助于解釋系統(tǒng)中不同模擬組件的配置位置。圖 1顯示了饋送到高分辨率轉換器的典型信號路徑。圖 2顯示了用于保持轉換器線性的精密模擬前端。圖 3顯示了圖 2 中的放大器、電壓基準和數據轉換器的噪聲貢獻。最后，圖 4突出顯示了運算放大器的穩(wěn)定時間遠低于最低有效位 (LSB) 的一半。

圖 1具有電平轉換功能的多路復用系統(tǒng)驅動高分辨率 ADC 的方式。

圖 2單通道模塊前端配有高分辨率差分輸入 SAR ADC。

圖 3顯示了圖 2 所示設置下信號鏈和 ADC 的模擬噪聲。

圖 4穩(wěn)定時間的仿真結果顯示誤差遠低于一半 LSB。

建立時間計算表示為 LSB = (4.096 ′ 2)/2 18，得出 31.25 mV。使用 31.25 mV 并將其乘以 0.5 可得出 15.625 mV 的值，這代表 LSB 的一半。

根據您是否想要優(yōu)化模擬輸入模塊設計的穩(wěn)定時間或噪聲，組件的選擇最終決定了直流和交流參數之間的權衡。集成過壓保護的雙極運算放大器可大幅提高效率，而不會犧牲穩(wěn)定時間。然而，在多路復用系統(tǒng)中，請考慮使用多路復用器友好的運算放大器。