1 應(yīng)用簡報(bào)

引言

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師致力于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，力爭達(dá)到極高的標(biāo)準(zhǔn)。面臨設(shè)計(jì)高效可靠的電子電路的挑戰(zhàn)，工程師們通常不得不選擇包含集成器件和分立式元件的多級(jí)設(shè)計(jì)，以便增強(qiáng)信號(hào)鏈性能。而為滿足對減小外形尺寸和創(chuàng)建集成解決方案的持續(xù)需求，工程師們又必須尋找具有成本效益的創(chuàng)新型解決方案。

本文介紹影響過程控制環(huán)境中系統(tǒng)級(jí)性能的關(guān)鍵因素和挑戰(zhàn)。我們將介紹一些挑戰(zhàn)，以及如何選擇智能多路復(fù)用器器件來幫助在過程控制環(huán)境中的一些常用設(shè)備中實(shí)現(xiàn)這些效率目標(biāo)。

多路復(fù)用器的測量精度

多路復(fù)用器有助于從多個(gè)傳感器輸入高效采集數(shù)據(jù)，并在單個(gè) ADC 應(yīng)用中優(yōu)化 I/O 利用率。多路復(fù)用器有助于減少元件的總體數(shù)量，通常是信號(hào)調(diào)節(jié)電路之前的一步。其中一些因素會(huì)通過多路復(fù)用器器件影響精確測量和信號(hào)完整性，從而直接影響信號(hào)鏈性能。我們來看看這些因素及其對信號(hào)精度的影響。

漏電流 (I_Leakage)

多路復(fù)用器漏電流流經(jīng)輸入阻抗 (R_SOURCE)，這會(huì)導(dǎo)致會(huì)影響測量的偏移誤差。進(jìn)一步的溫度變化會(huì)放大偏移直流誤差并引入線性誤差。

低漏電流規(guī)格限制了輸出端引入的直流誤差并優(yōu)化了測量。

圖 1-1 顯示了開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)多路復(fù)用器漏電流的簡化模型。

圖 1-1 多路復(fù)用器漏電流的簡化模型

開關(guān)接通時(shí)，輸入側(cè)漏電流引入的電壓誤差由Equation1 表示：

當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，漏電流流經(jīng)端子，從而在輸出端引入直流偏移量誤差。導(dǎo)通狀態(tài)漏電流會(huì)直接影響輸出端引入的直流誤差。雖然不能完全消除漏電流，但我們可以嘗試盡可能減小漏電流以限制誤差。

導(dǎo)通電阻 (R_DS(ON))

開關(guān)的漏源導(dǎo)通電阻會(huì)引入變化和增益誤差，從而產(chǎn)生與信號(hào)相關(guān)的失真。R_ON 與多路復(fù)用器輸出阻抗或負(fù)載電阻一起創(chuàng)建一個(gè)分壓器，如圖 1-1 所示。較小的 R_ON 會(huì)產(chǎn)生較小的錯(cuò)誤。較低的平坦度使輸出代碼校正更加精確。類似地，隨著溫度的變化，R_ON 會(huì)漂移，從而限制精度并降低 V_OUT 的線性度。R_ON 平坦度可控制并限制動(dòng)態(tài)電壓范圍內(nèi)的精度。

導(dǎo)通電容 (C_ON)

導(dǎo)通電容會(huì)影響多路復(fù)用器的趨穩(wěn)行為，從而影響系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。當(dāng)輸入通道以極快的速率切換時(shí)，較高的 C_ON 會(huì)在系統(tǒng)中引入失真。導(dǎo)通電容 + 負(fù)載電容以及輸入電阻決定了多路復(fù)用輸入系統(tǒng)的設(shè)置時(shí)間。

電荷注入 (Q_INJ)

Q_INJ 用于測量開關(guān)從導(dǎo)通 狀態(tài)變?yōu)?em class="ph i">關(guān)斷 狀態(tài)時(shí)，由于重新分配電壓而產(chǎn)生的不必要電荷。器件內(nèi)的電量將重新分配，并可在器件導(dǎo)通 和關(guān)斷 時(shí)推送到輸出。在快速開關(guān)操作期間，這種現(xiàn)象更加明顯，會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)電壓誤差。

測量移動(dòng)流體（氣體或液體）的流量

流量計(jì)是精密的測量器件，采用多種技術(shù)對流體（液體或氣體）的流速或體積進(jìn)行量化。準(zhǔn)確測量各種工藝流程中的流速對于確保器件正常運(yùn)行和更大限度地提高工廠效率至關(guān)重要。

流量計(jì)精度

在理想流量的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可以預(yù)期此處所考慮的流量計(jì)的精確度達(dá)到 ±0.5% 的速率或讀數(shù)。根據(jù)所采用的技術(shù)，各種流量計(jì)技術(shù)具有不同的精度。

超聲波流量計(jì)使用超聲波的飛行時(shí)間 (ToF) 及其在介質(zhì)中的相關(guān)性和行為，使用兩個(gè)傳感器對來實(shí)現(xiàn)上行和下行路徑。可以使用已知的聲速和傳感器之間的距離來計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間。超聲波傳感器跨管道橫截面放置，任一側(cè)的傳感器均可發(fā)送和接收超聲波脈沖。

其他流量計(jì)技術(shù)（如電磁流量計(jì)）基于法拉第定律的基本原理工作。水等導(dǎo)電液體在與液體流動(dòng)垂直的線圈中產(chǎn)生磁場。液體的電荷粒子穿過由兩個(gè)磁場線圈產(chǎn)生的人工磁場、產(chǎn)生電壓，這是流量的測量值。

在任何一種情況下，捕獲輸入傳感器信號(hào)并準(zhǔn)確測量，同時(shí)消除輸出中的噪聲或直流誤差是系統(tǒng)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。在輸入信號(hào)電平較小的情況下（nA 或 μV 范圍），由于引入了較大的 DC 誤差，因此這項(xiàng)任務(wù)更加艱巨。

圖 1-2 顯示了在發(fā)送到 ADC 進(jìn)行處理之前捕獲并饋入輸入多路復(fù)用器的輸入傳感器信號(hào)。

圖 1-2 超聲波和磁流量計(jì)的模擬前端實(shí)施

使用多路復(fù)用器將輸入激勵(lì)信號(hào)多路復(fù)用到多路復(fù)用器，并優(yōu)化使用的信號(hào)調(diào)節(jié)電路的數(shù)量。在需要測量和處理多個(gè)傳感器輸入的情況下，優(yōu)先選擇具有低泄漏和低 R_ON 的多路復(fù)用器，以盡可能減小直流誤差。使用具有 4? R_DS(ON)（典型值）和 0.04nA（典型值）漏電流以及 3pC 電荷注入的 TMUX7208 和 8:1 單通道多路復(fù)用器或 TMUX7209 4:1 2 通道多路復(fù)用器對輸入激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用。

多路復(fù)用器還用于調(diào)整閉環(huán)系統(tǒng)反饋環(huán)路中的增益曲線。具有 0.75Ω R_DS(ON) 的 TS5A3159（2:1 × 1 通道）或具有 1.7Ω R_DS(ON) 和超低漏電流 0.1nA（典型值）的 TMUX7212（1:1 × 4 通道）可用于此目的，將盡可能減小直流誤差。

模擬輸入/輸出模塊

可編程邏輯控制器 (PLC) 或分布式控制系統(tǒng) (DCS) 模塊是一種堅(jiān)固耐用的工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可連續(xù)監(jiān)控輸入器件的狀態(tài)，并通過自定義程序和故障診斷做出決策。模擬輸入模塊 (AIN) 是 PLC 中的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)。PLC 單元通常設(shè)計(jì)用于容納不同類型的輸入模塊，以監(jiān)控不同類型的實(shí)際參數(shù)（如電壓、電流、溫度、壓力等），或在被饋送到 ADC 進(jìn)行進(jìn)一步處理之前接收來自傳感器或其他子系統(tǒng)的模擬或數(shù)字輸入信號(hào)。

控制系統(tǒng)中的模擬輸入模塊經(jīng)常切換傳感器，例如 pH、光學(xué)、濕度、運(yùn)動(dòng)或溫度傳感器。所有這些傳感器都表現(xiàn)出高輸出阻抗，可以在幾百千歐的范圍內(nèi)變化。此外，多路復(fù)用器的 V_OUT 通常連接到運(yùn)算放大器的同相端，運(yùn)算放大器具有高輸入阻抗。源阻抗（結(jié)合多路復(fù)用器 R_ON 和運(yùn)算放大器的輸入阻抗）和多路復(fù)用器的泄漏會(huì)影響測量的準(zhǔn)確性。R_ON（R_ON 平坦度）明顯低于運(yùn)算放大器的輸入阻抗，大大降低了多路復(fù)用器帶來的誤差。

輸入端的高共模信號(hào)會(huì)進(jìn)一步放大直流誤差，并通過開關(guān)元件的高或可變 R_DS(ON) 影響信號(hào)測量精度或者分辨率和線性度。輸出端的這種變化或直流誤差會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集并影響系統(tǒng)精度。

低 R_ON、低泄漏（nA 范圍）、低電容（低 pF）開關(guān)常用于需要更高精度和更低誤差轉(zhuǎn)換的高阻抗系統(tǒng)。

圖 1-3 多路復(fù)用模擬輸入前端

使用具有 4Ω（典型值）導(dǎo)通電阻和 5nA（最大值）漏電流的 TMUX7208（8:1，1 通道）多路復(fù)用器，用于在由 ADC 處理之前多路復(fù)用輸入傳感器信號(hào)。在高共模電壓跨越電源軌或高輸入電壓過沖情形中，使用故障保護(hù)多路復(fù)用器，如帶 20pF C_ON 以及 13pC 低電荷注入和 ±60V 過壓保護(hù)的 TMUX7308F（8:1、1 通道、故障保護(hù)），從而提供系統(tǒng)保護(hù)。

選擇 TMUX7209（4:1、2 通道）以支持每個(gè) ADC 的 4 通道差分電壓輸入。為了處理隔離式通道輸入系統(tǒng)，請使用具有極低導(dǎo)通電阻和泄漏多路復(fù)用器的 TMUX7212（1:1、4 通道）來保持出色系統(tǒng)性能。

結(jié)語

隨著復(fù)雜性的增加，現(xiàn)代系統(tǒng)給設(shè)計(jì)人員帶來了新的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)效率用于衡量信號(hào)測量精度和信號(hào)完整性。任何系統(tǒng)的性能都與其數(shù)據(jù)采集和處理能力一樣好。直流誤差和輸出變化是源電阻、輸入和輸出阻抗、漏電流和導(dǎo)通電容的綜合影響的結(jié)果。建議設(shè)計(jì)人員選擇漏電流、導(dǎo)通電阻和電荷注入電平極低的精密多路復(fù)用器。