DAC模拟输出及架构概述

作者：Kevin Duke
去年，我同事 Tony Calabria 和我发表了 DAC 基础知识系列博客。在该系列文章中，我们探讨了高精度数模转换器 (DAC) 的静态及动态规范、高精度 DAC 架构以及 DC 误差计算。
今年在该系列中，我们将继续发表文章，发表基于应用的 DAC 基础知识后续文章。我们将首先发表针对工业控制应用的“迷你系列”博客文章。
作为该系列的开篇文章，我今天首先介绍 DAC 可用于工业控制系统方面的内容。此外，我还将探讨双线与三线／四线系统之间的区别。


在工业控制应用中，DAC 最常用于针对可编程逻辑控制器 (PLC)（上图左侧）或传感器发送器（也叫现场发送器）（上图右侧）使用的模拟输出。
在这两种情况下，DAC 都可用来提供电压输出或电流输出。电流输出最普遍，大概占 75%。
电压输出一般为四个范围中的一种：0~5V、0~10V、+/-5V 以及 +/-10V，但也有一些需要超范围输出的特例。电流输出通常是指 4~20mA 这一种范围，但也经常使用更宽一点的范围，有时可达到 3.5~25.5mA。
PLC 和传感器发送器的模拟输出都使用相同的电压及电流输出范围，但它们的使用也有很大的不同。
PLC 模拟输出通常可控制某个支持其输出的系统环节，能够通过电压输出转动电机，或通过电流输出移动线性致动器，以控制阀门。传感器发送器中的模拟输出不仅能够与传感器配对，而且还可进行现场远程安放，监控系统的某个参数。


图 1 是采用两线配置的典型系统架构，适用于与现场发送器配对的 PLC 模拟输入模块。该配置之所以称为两线系统，是因为模拟输出模块只有两个端节：电源端节和接地端节。模拟输入模块可提供支持电源电压／电流的现场发送器，而两线现场发送器则可精确控制其返回到输入模块的电流幅值，以便建立通信。两线现场发送器的独特挑战是将所有组件的流耗保持在 4mA 以下，以便通过标准 4~20mA 环路进行通信。
有时候，传感器（用于传感器发送器中）所需的激励电流要大于两线环路供电系统所能提供的电流。在这种情况下，可为传感器发送器使用三线方案，其中包括独立电源端节、电流输出端节以及接地端节，如图 2 所示。或者，有时候也可以为两线系统提供一个局部隔离电源。


PLC 中的模拟输出与上面的三线配置很相似。主要区别是电源由背板本地提供，如下图中的电源端节所示。请记住，在这种情况下模拟输出位于控制层面，其将驱动现场层面的负载。


在往后几个月，我将为两线及三线配置提供实例设计，不仅将深入介绍工业瞬态与瞬态保护电路，而且还将为您的工业模拟输出设计提供更多要诀与技巧。