1 應用簡報

引言

系統(tǒng)設計工程師致力于提高系統(tǒng)設計的質量，力爭達到極高的標準。面臨設計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設計，以便增強信號鏈性能。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)級性能的關鍵因素和挑戰(zhàn)。我們將介紹一些挑戰(zhàn)，以及如何選擇智能多路復用器器件來幫助在過程控制環(huán)境中的一些常用設備中實現這些效率目標。

多路復用器的測量精度

多路復用器有助于從多個傳感器輸入高效采集數據，并在單個 ADC 應用中優(yōu)化 I/O 利用率。多路復用器有助于減少元件的總體數量，通常是信號調節(jié)電路之前的一步。其中一些因素會通過多路復用器器件影響精確測量和信號完整性，從而直接影響信號鏈性能。我們來看看這些因素及其對信號精度的影響。

漏電流 (I_Leakage)

多路復用器漏電流流經輸入阻抗 (R_SOURCE)，這會導致會影響測量的偏移誤差。進一步的溫度變化會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 顯示了開關導通和關斷時多路復用器漏電流的簡化模型。

圖 1-1 多路復用器漏電流的簡化模型

開關接通時，輸入側漏電流引入的電壓誤差由Equation1 表示：

當開關關斷時，漏電流流經端子，從而在輸出端引入直流偏移量誤差。導通狀態(tài)漏電流會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。

導通電阻 (R_DS(ON))

開關的漏源導通電阻會引入變化和增益誤差，從而產生與信號相關的失真。R_ON 與多路復用器輸出阻抗或負載電阻一起創(chuàng)建一個分壓器，如圖 1-1 所示。較小的 R_ON 會產生較小的錯誤。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態(tài)電壓范圍內的精度。

導通電容 (C_ON)

導通電容會影響多路復用器的趨穩(wěn)行為，從而影響系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。當輸入通道以極快的速率切換時，較高的 C_ON 會在系統(tǒng)中引入失真。導通電容 + 負載電容以及輸入電阻決定了多路復用輸入系統(tǒng)的設置時間。

電荷注入 (Q_INJ)

Q_INJ 用于測量開關從導通 狀態(tài)變?yōu)?em class="ph i">關斷 狀態(tài)時，由于重新分配電壓而產生的不必要電荷。器件內的電量將重新分配，并可在器件導通 和關斷 時推送到輸出。在快速開關操作期間，這種現象更加明顯，會導致輸出端出現電壓誤差。

測量移動流體（氣體或液體）的流量

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

流量計精度

在理想流量的標準范圍內，可以預期此處所考慮的流量計的精確度達到 ±0.5% 的速率或讀數。根據所采用的技術，各種流量計技術具有不同的精度。

超聲波流量計使用超聲波的飛行時間 (ToF) 及其在介質中的相關性和行為，使用兩個傳感器對來實現上行和下行路徑?？梢允褂靡阎穆曀俸蛡鞲衅髦g的距離來計算信號的飛行時間。超聲波傳感器跨管道橫截面放置，任一側的傳感器均可發(fā)送和接收超聲波脈沖。

其他流量計技術（如電磁流量計）基于法拉第定律的基本原理工作。水等導電液體在與液體流動垂直的線圈中產生磁場。液體的電荷粒子穿過由兩個磁場線圈產生的人工磁場、產生電壓，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并準確測量，同時消除輸出中的噪聲或直流誤差是系統(tǒng)準確性的關鍵。在輸入信號電平較小的情況下（nA 或 μV 范圍），由于引入了較大的 DC 誤差，因此這項任務更加艱巨。

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

圖 1-2 超聲波和磁流量計的模擬前端實施

使用多路復用器將輸入激勵信號多路復用到多路復用器，并優(yōu)化使用的信號調節(jié)電路的數量。在需要測量和處理多個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 單通道多路復用器或 TMUX7209 4:1 2 通道多路復用器對輸入激勵信號進行多路復用。

多路復用器還用于調整閉環(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) 模塊是一種堅固耐用的工業(yè)計算機控制系統(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 中的一個關鍵子系統(tǒng)。PLC 單元通常設計用于容納不同類型的輸入模塊，以監(jiān)控不同類型的實際參數（如電壓、電流、溫度、壓力等），或在被饋送到 ADC 進行進一步處理之前接收來自傳感器或其他子系統(tǒng)的模擬或數字輸入信號。

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

輸入端的高共模信號會進一步放大直流誤差，并通過開關元件的高或可變 R_DS(ON) 影響信號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嚴重影響數據采集并影響系統(tǒng)精度。

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

圖 1-3 多路復用模擬輸入前端

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

選擇 TMUX7209（4:1、2 通道）以支持每個 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)，請使用具有極低導通電阻和泄漏多路復用器的 TMUX7212（1:1、4 通道）來保持出色系統(tǒng)性能。

結語

隨著復雜性的增加，現代系統(tǒng)給設計人員帶來了新的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)效率用于衡量信號測量精度和信號完整性。任何系統(tǒng)的性能都與其數據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、漏電流和導通電容的綜合影響的結果。建議設計人員選擇漏電流、導通電阻和電荷注入電平極低的精密多路復用器。