【導讀】本文討論閉環系統的關鍵要素，重點關注模/數轉換器(ADC)和數/模轉換器(DAC)的關鍵角色。文章介紹多片高速ADC和DAC作為控制系統核心的關鍵作用和性能優勢。
在當今工業自動化應用中，復雜的控制系統代替人工來操作不同的機器和過程。術語“自動化”指其智能化足以制定正確的過程決策從而實現目標結果的系統。我們這里所說的“系統”是指閉環控制系統。這些系統依賴于輸入至控制器的傳感器數據，提供反饋，控制器據此采取措施。這些措施就是控制器輸出的變化。通過確保高性能、高可靠性工業操作，閉環控制系統對于現代化工業4.0工廠的工業自動化和效率至關重要。
本文討論閉環系統的關鍵要素，重點關注模/數轉換器(ADC)和數/模轉換器(DAC)的關鍵角色。文章介紹多片高速ADC和DAC作為控制系統核心的關鍵作用和性能優勢。最后，我們以MAXREFDES32和MAXREFDES71參考設計為例，介紹隔離電源和數據子系統在工業閉環中的應用。
開環和閉環系統概覽
工業控制系統可分為兩類：開環和閉環系統。
開環控制系統為連續控制系統，不提供來自于輸出的反饋。因此，控制過程只受系統輸入的影響。傳統上，電控制系統主要為開環，要求人工調節過程變量，以實現或維持預期輸出。典型的自動噴灑系統就是開環系統的一個例子。噴灑器的控制器只知道何時打開閥門以及何時將其關閉，并不利用傳感器檢測土壤的含水量或者利用數據轉換器將數據輸入至控制器。所以，即使土壤已經濕透或是下雨天，自動噴灑系統仍然會打開閥門；只要沒有人手動關閉系統，系統就會執行其任務。開環系統的缺點顯而易見：沒有任何反饋，系統不能自動調節其過程來更改其輸出。因此，開環系統的剛性、不靈活性使其不適合工業控制自動化應用的速度和可變性要求。此外，工廠需要雇傭許多人來監督和管理系統！
現在，我們討論一下閉環控制。閉環控制系統從傳感器收集反饋信息，并對其輸出做出相應的過程調節，完全自動化、無需人工介入。家庭中帶有溫度監控器的暖氣系統就是閉環系統的例子。本例中，設定的溫度目標是系統的輸入，實時環境溫度是系統的反饋。溫度監控器中的溫度傳感器將溫度數據反饋給控制器。通過將檢測的環境溫度與設定的溫度目標進行比較，控制器做出相應的決策，決定何時打開/關閉鍋爐或空調。
高性能閉環設計的關鍵
電子閉環控制系統通常包括三種元素：控制器、反饋信號輸入(ADC)和輸出執行器(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，調節控制量；向DAC執行器發送信號，后者處理控制量輸出。ADC和DAC的速度和精度對閉環至關重要。如果控制系統不能足夠快地響應故障條件，就可能發生災難性系統故障。
模擬輸出的高速和低噪聲性能
好的閉環控制系統要求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所示為交流信號的FFT和直流直方圖結果。交流輸入信號的快速傅里葉變換(FFT)和直流輸入信號的直方圖提供了關于A/D轉換系統性能的重要信息。
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；400ksps采樣率；Blackman-Harris窗；室溫。數據來自于MAXREFDES71參考設計。
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；400ksps采樣率；65,536個采樣；編碼分散性為6 LSB，98.6%的編碼在三個中心LSB之內；標準偏差為0.664；室溫。數據來自于MAXREFDES71參考設計。
對低失真、正弦波信號的一組采樣進行FFT分析，常用于判定A/D轉換系統的動態性能。低失真信號源、高于被測系統的分辨率絕對是必不可少的。部分重要的動態指標有：
●信噪比(SNR)
●總諧波失真(THD)
●信號與噪聲+失真比(SINAD)
●無雜散動態范圍(SFDR)
SNR為輸入信號均方根值(RMS)與A/D轉換系統產生的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。這意味著輸入信號的RMS值比RMS量化誤差大30,000倍(計算公式為XdB = 20 × log(ratio))。顯而易見，比值越大，A/D轉換系統的量化誤差越小。類似地，THD為輸入信號與總諧波失真之比。SINAD為輸入信號與量化誤差加諧波失真之比，SFDR為輸入信號與最大失真分量之比。
往往利用直流信號的直方圖確定A/D轉換系統的噪聲。由于系統中存在噪聲，ADC產生的編碼將在主值附近。編碼的分散性表示A/D轉換系統的噪聲信息。圖2中直方圖的標準偏差為0.664(相當于16.6位的有效分辨率)，98.6%的編碼在前三個中心LSB之內。本例中，標準偏差越小，系統噪聲越小。
單調模擬輸出的高速和高精度性能
高質量DAC決定整個系統的輸出精度，對于任何控制系統都非常重要。幾項重要指標決定模擬輸出的性能：
●積分非線性(INL)
●微分非線性(DNL)
●總不可調誤差(TUE)
●建立時間
任何實際的模擬輸出電路都有三種基本誤差：失調、增益誤差和非線性。在很多應用中，可對失調和增益誤差進行校準，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實際輸出之間的偏差，其中抵消失調和增益誤差。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的單調性非常重要。DAC編碼增大時，單調DAC的輸出始終增大或最壞也保持相同。如果在閉環控制系統中使用非單調DAC，負反饋可能變為正反饋。此外，根據控制理論，正反饋系統是不穩定的。為了確定DAC是否為單調，觀察其DNL曲線。DNL誤差是實際步長與1 LSB理想值之差。步長意味著兩個相鄰數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。對于單調的模擬輸出，DNL曲線上的所有點必須大于-1 LSB。
圖4. DNL，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。
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總不可調誤差(TUE)曲線顯示實際輸出電壓相對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. 總不可調輸出誤差，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。
最后，建立時間是從更新DAC輸出命令到輸出達到指標范圍內的規定值之間的時間間隔。建立時間受DAC和放大器擺率以及放大器過沖和振鈴的影響。例如，在MAXREFDES71參考設計中，電壓輸出穩定至2 LSB之內只需17μs。
形成閉環
兩個新型子系統參考設計滿足“不妥協”閉環工廠環境要求。MAXREFDES71#(圖6)和MAXREFDES32#子系統具有足夠的靈活性，滿足使用電壓或電流信號的低速和高速閉環系統。這些子系統使用兩片高速、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，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數據隔離。MAXREFDES32與MAXREFDES71完全相同，只是采用反激轉換器產生隔離電源。兩款設計連接至FMC兼容現場可編程門陣列(FPGA)/微控制器開發板。
圖6. MAXREFDES71子系統方框圖。
此處所示的所有數據均由MAXREFDES71#參考設計電路板產生。現在，設計者可利用比以往更快的高質量模擬輸入和輸出構建新型閉環工業系統。并且顯而易見，更可靠、更高精度的閉環系統有助于保證工業4.0工廠的效率和正常運轉。
