アナログ出力モジュール

PLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ)、PAC(プログラマブル・オートメーション・コントローラ)、DCS(分散制御システム)向け I/O モジュール:アナログ出力 システム・ブロック図

設計上の考慮事項

I/O モジュールは、PLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ)、PAC(プログラマブル・オートメーション・コントローラ)、DCS(分散制御システム)などの最終製品で使用される、産業用制御システムのブロックとして組みたてられます。アナログ出力モジュールは、アクチュエータや他の機器の駆動・制御に使用されたり、総合的な制御システムの一部として使用されます。電流ループの一般的な出力範囲は 4 ~ 20mA で、電圧の出力範囲は 0~5V、0~10V、+/-5V および +/-10V です。

シグナル・チェーン

直線性、セトリング・タイム、応答、および精度は、使用する DAC によって決定されます。抵抗ストリングス・ベースの DAC は、小型で、安価で、単調特性です。分解能を向上したり、開ループのバルブ制御などの高い直線性が要求されるアプリケーションには、R-2R DAC が最適です。セトリング・タイムや速度を高速化するには、R-2R 乗算型 DAC を使用してください。適切なリファレンスを選択し、適切なバッファを使用することは、システムの性能に重要です。リファレンスに関する考慮事項には、初期精度、温度ドリフト、ソース/シンク電流の供給能力が含まれます。

出力アンプは、速度、出力電圧レベル、および電力に基づいて選択する必要があります。TI の XTR ファミリの産業用ドライバは、4~20mA 電流ループへの使用に最適です。一部の製品では、電圧または電流のいずれかを出力としてプログラムすることができます。新製品では、DAC と XTR が一緒に集積されているので、ボードの実装面積が最小限に抑えられ、消費電力が最適化されます。

プロセッサ

サポートに加え、開発プラットフォームやソフトウェア・ツールが、市場への投入期間を短縮するために必要です。イーサネット・ポートや UART から、シンプルな SPI ポートまで、幅広い接続オプションが必要とされます。イーサネットを使用すると、フィールド・デバイスを企業ネットワークに統合することができます。ほとんどの産業用制御アプリケーションでは、多数のデジタル I/O と統合機能を備えた、シンプルで低コストな PLC が必要になります。これらの機能には、障害診断、ウォッチドッグ・タイマ、低消費電力、複数の SPI ポート、UART、ADC などの内蔵アナログ・ペリフェラル、DAC と同等の機能を備えた PWM 出力が含まれます。MCU(マイコン・ユニット)は、これらのアプリケーションに最適です。ロジック、PID 制御、モーションなど、複数の機能ドメインを処理するために、機能を最大限に発揮し、より高速なループ速度と一緒に、高度なアルゴリズムを必要とするアプリケーションでは、より高性能な MPU(マイクロ・プロセッシング・ユニット)が必要になります。

産業用アプリケーションでは、多数の通信オプションをサポートする必要があります。多くの TI 製プロセッサには、これらの通信規格に対して真にプログラマブルなアプローチをサポートできるようリアルタイム・プロセッシング・ユニット(PRU)が搭載されています。これ以外にも、ARM アーキテクチャは、実行が厳しい機能に必要な性能と低消費電力を提供します。

インターフェイス

フィールド・バスには、シリアル(RS-485、DeviceNet、Profibus、CAN など)およびイーサネット・ベース等、選択肢が多数存在します。延長できるケーブル長や、断線をデバッグできる診断機能は、システム設計者にとって非常に有用です。インターフェイス・トランシーバにデジタル・アイソレータを内蔵することは、ボードの実装面積を削減する上で非常に望ましいです。さらに、DAC とコントローラ間のインターフェイスは、オプトカプラまたは容量性テクノロジーを使用して組み立てられた TI アイソレータのいずれかを使用してデジタル絶縁することができます。

電源

過渡応答や接地ループから保護するため、センサに接続されるフィールド側が、制御側から電気的に絶縁されます。これは、各チャネルを絶縁するか、チャネルのグループ同士を絶縁し、制御側からも絶縁することによって達成されます。設計は、DC-DC コンバータやディスクリート・コンポーネントを使用して性能向上やコスト削減をしたり、あるいはモジュール型の絶縁 DC-DC コンバータを使用するなどのカスタマイズができます。他の考慮事項として、高効率や小型パッケージによる高集積化が挙げられます。入力範囲の大きい DC-DC コンバータを使用すると、電源の過渡現象から保護することができます。最後に、PSRR(電源変動除去比)の優れた LDO を高精度のアナログ回路に使用することで、電源のリップルを抑え、システムの精度と分解能を維持することができます。

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技術資料

アプリケーション・ノート

アプリケーション・ノート (3)

タイトル 種類 サイズ (KB) 日付 英語版
PDF 53 KB 2019年 2月 4日
PDF 9.6 MB 2018年 12月 11日
PDF 969 KB 2014年 7月 24日

技術記事

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