尽管有几种版本的数字现场总线，工业控制系统继续使用标准信号在过程和控制设备之间传输数据。例如，化工厂的过程变送器将低水平的温度和压力信号转换为4到20ma的电流环路信号，这些信号很容易传输到几千英尺以外。

工厂自动化环境中用于机床和自动处理程序的速度和位置传感器产生单极和双极电压信号，通常为0V至5V, 0V至10V，±5V或±10V。此外，来自流行的PT100温度传感元件的信号通常直接使用，而不需要转换到10V或20mA等标准范围。作为一种由铂(Pt)制成的RTD(电阻式热器件)，PT100在0°C时的电阻为100欧姆。它的电阻对温度的特性是线性的，并且它提供了一个相当高的输出信号电平(>100mV，当用1mA电流源驱动时)。

过程环境中的控制功能由plc(可编程逻辑控制器)、pcs(过程控制系统)或(最近的)ipc(工业个人计算机)实现。因为这些设备是用特定程序软件操作的数字系统，所有的信号必须在计算机读取之前转换成数字。

控制系统中的A/D转换是由称为“外设”的板子或盒子完成的。它们通过系统的背板总线连接到CPU，如果远程安装(例如在机器上)，则通过现场总线连接到CPU。除了数字电路(用于与CPU通信)之外，这些外设单元还包括各种精密和混合信号组件。对每块板上更多通道或更小封装(安装在机器上)的要求导致空间和电源的短缺，这构成了设计外设的主要挑战。下面的电路提出了信号调理技术，并描述了一种用单个芯片数字化多达八个通道的方法。

数据采集系统(DAS)

最先进的数据采集系统(图1)包括用于在输入通道之间切换的多路复用器(mux)，为不同输入范围提供增益和偏移调节的信号调理电路，以及具有参考电压(VREF)的数字转换器(ADC)。

集成的DAS解决方案

通过集成图1的基本模块，Maxim生产了一系列单片数据采集系统，节省了电路板空间、功耗和设计时间。需要很少的外部组件(在某些情况下没有)，这些芯片转换目前使用的大多数标准信号。每个都包括一个12位ADC，多路复用器和增益/偏移校正，并具有串行或并行数字接口，可轻松连接到大多数微处理器。

下面的框图(图2)是这种芯片系列的典型图。区别主要在与微处理器连接的数字部分。每个芯片有六个或八个单端输入通道，通过故障保护的多路复用器连接到内部ADC。任何通道都可以承受高达16.5V的输入电压，任何通道的故障都不会影响其他任何通道的转换。

每个通道可以独立编程为标准输入范围之一(0至5V, 0至10V，±5V或±10V)，同时从单个5V电源运行。其他有类似的增益结构，但接受不同的输入范围:单极或双极2V或4V，或单极或双极VREF或_VREF。将增益改变两倍并将输入偏移100%(从-10V到+10V)的能力将动态范围扩展2位，从而产生具有14位动态范围的系统。

内部ADC是基于电容式DAC的12位连续逼近型，其MSB电容在磁道/保持电路中兼作保持电容。每个设备都可以与内部振荡器或外部时钟一起工作。

通过使用有源低WR脉冲来启动和停止采集，MAX196到MAX199器件在“外部采集模式”下可以提供相对较长的采集时间而不会减慢转换速度。器件的短光圈延迟和低光圈抖动(在外部时钟/采集模式下<50ps)可以精确控制采集时间。这一特性对于相敏应用很重要，如电源线控制和交流电机控制。此外，该芯片的宽带输入结构提供5MHz的小信号带宽，允许输入频率超过奈奎斯特频率的欠采样技术。

数字接口

需要高速测量的应用程序最好使用并行数据接口(MAX196到MAX199)。这些部件在2MHz时钟速率下实现100Ksps的吞吐量，这对于大多数高速控制回路来说已经足够了。对于低速应用，可用的I²c兼容接口版本节省了电路板空间并简化了DAS与微控制器之间的通信。这些部件具有快速转换时间(10µs)，但串行接口将其吞吐量限制在8kbps。

例如，MAX197可以接受0v -10V、0v -5V、±5V和±10V输入。驱动这些输入的源阻抗是用户主要关心的问题。当采样时，ADC绘制电流脉冲为其T/H电容器(电容式DAC的MSB电容器)充电。因此，需要一个具有足够摆率的快速稳定运放，以确保在采集时间内有足够的电压稳定。MXL1013/MXL1014运算放大器具有良好的快速采样率。对于较慢的运算放大器，采集时间必须延长。

在许多自动化系统中使用的差分输入对共模干扰相对不敏感。在大多数情况下，输入电阻超过1毫欧的简单差分放大电路(图3)就足够了。(对于更高的输入阻抗，使用标准的3运放仪表放大器。)图3中显示的输出是

V(out) = r2 (V+ - V-)/ r1。

对于高共模抑制，使R1 = R3, R2 = R4。所示的组合增益为0.876，通过将±10V输入范围扩展约114%，可以测量超量距信号。这种调整将±10V波段的分辨率降低到大约11.8位。

20mA电流回路

电流环在嘈杂的环境中长距离传输小信号。电流通常由过程变送器产生，该变送器将温度或压力等变量转换为0mA至20mA或4mA至20mA范围内的直流电流。然后，将电流通过一个分流电阻产生一个比例压降，这很容易数字化。由于可用于驱动回路的合规电压(包括导线电阻)很少超过15V至18V，因此电阻值被限制在几百欧姆(图4)。

该电路具有与±10V调理电路相同的差分放大器，以及220欧姆分流电阻，在20mA时下降4.4V或在25mA时下降5.5V。差分放大器的增益在ADC输入处可调节到最大4.62V，因此编程为0.5V输入的DAS可以以11.8位的最大分辨率将该信号数字化。

由于MAX198 /MAX199和MAX128具有该系列中最小的输入范围，因此使用小分流电阻并且不需要调整增益，因此它们更适合在不需要其他高级测量(±10V)的系统中进行20mA测量。为了使图4所示的电路与MAX199一起工作，将MAX199配置为0到2v的输入范围，并将536k欧姆电阻更改为470k欧姆。使用86欧姆分流电阻。

传感器适应

热电偶，应变片和其他流行的传感器提供对EMI敏感的低电平非线性信号。因此，在将此信息发送到控制系统之前，4至20ma的发射器首先对信号进行线性化和调节。对于不太关键的温度测量应用，电阻式热器件(RTD)可以在很远的距离内测量高达850°C的温度，而无需昂贵的信号调理。

最流行的RTD是称为PT100的标准化铂温度传感器，其在0°C时的电阻为100欧姆，线性温度系数为0.38欧姆/°C。它还有一个小得多的非线性温度系数，因此欧姆/°C特性在一个狭窄的范围内几乎是线性的。与热电偶不同，热电偶提供的电压代表两个温度之间的差异，RTD的电阻代表该电阻的绝对温度。

测量是通过驱动1mA到2mA的电流通过传感器并测量其上的电压降来完成的。较大的电流会导致测量误差，这是由于传感器内部功耗较大而引起的自热。内部4.096V基准简化了传感器励磁电流的产生(图5)。

为了防止导线电阻影响测量精度，四根单独的导线将RTD连接到差分放大器。因为感测线连接到放大器的高阻抗输入，它们具有非常低的电流和几乎没有电压降。4096mV参考电阻和3.3k欧姆反馈电阻将激励电流设置为约4096mV/3.3k欧姆 = 1.24mA。因此，用相同的参考电压驱动ADC和电流源会产生比率测量，其中参考漂移不会影响转换结果。

通过配置MAX197的输入范围为0V至5V，并将差分放大器的增益设置为10，您可以测量高达400欧姆的电阻值，代表约800°C。µP可以使用查找表对传感器信号进行线性化。为了校准系统，将RTD替换为两个精密电阻(零位为100欧姆，全量程为300欧姆或更高)，并存储转换结果。

使用以下电路(图6)来调整ADC输入以适应前面描述的任何信号范围，而不是为特定的输入范围指定特定的电路。选择输入引脚和ADC输入范围(表1)选择适当的配置。

对于RTD: Sns-和Sns+是四线配置上的感测连接。将“源”引脚连接到IS1和IS2。

本文的一个版本出现在1999年2月9日的《控制工程》杂志上。