浅谈高性能AO技术——AD5755方案解析

全球工业智能化进程不断推进，工业自动化行业市场也一直备受关注。本次我们通过技术型分销商世健公司邀请了他们的客户，现就职于国内一线工业自动化厂商的硬件工程师李工，来跟我们探讨高性能AO技术。

李工任职的一线工业自动化厂商是面向自主控制，智慧管理，安全可信，提供以自动化控制系统为核心，涵盖工业软件、自动化仪表及运维服务的智能制造产品及解决方案。而李工具有7年电子系统设计经验，任控制系统IO技术构架师。具备丰富的模数混合电路、信号链电路等设计经验。

摘要：本文从工业自动化领域的实际需求出发，深入浅出地分析了高性能AO技术应该具备的基本特点，并结合AD5755，提出了一种简单易行的解决方案。

一、为什么我们需要高性能AO技术?

随着自动化行业的发展，工业控制系统正不断向着更强的性能、更高的可靠性、更智能的适用性的方向升级。作为控制系统与工业设备之间的接口，IO系统也需要不断升级性能，以满足控制系统和工业设备的更高的运行要求。

工业控制系统中的AO(Analog Output)设备是IO系统中的重要组成部件。作为控制系统操作工业设备的“手”，AO设备通过输出电压、电流信号，决定现场设备的运行状态。因此，AO设备的性能决定了控制系统的控制结果在工业设备上的执行水平。目前市场上主流的AO设备支持电流、电压信号，信号精度大致在0.2%~0.5%之间，信号刷新速度在十几毫秒到几十毫秒之间。

AO设备的驱动对象不仅包含各种阀门类执行机构，还包括了电机设备、电磁设备、光照设备等等。某些高端应用场合对控制精度、速度的要求已经超出了市场上的主流AO性能。在某些应用场合，AO设备和执行器之间需要额外的信号隔离或转换设备，这就导致了AO输出性能的下降。为了适配高精度、高速的执行器，或降低信号隔离或转换设备对系统性能的影响，AO设备的输出性能需要进一步提升。

二、我们需要什么样的AO技术?

从表面上看，我们需要提高AO设备的信号精度、刷新速度，但深入分析后，这是个极其复杂的问题。

AO设备的信号类型常见电压信号和电流信号。标准的工业电压信号为0V~5V、1V~5V，标准的工业电流信号为0mA~10mA、4mA~20mA，除此外也有一些非标准的信号范围。从端口特性上讲，电压信号输出要求端口的输出低阻抗，电流信号输出要求端口的输出高阻抗。而在实际应用中，由于驱动能力的要求和反馈结构的限制，端口输出阻抗的设计必须要兼顾电压和电流，这带来了一定的设计复杂度。

工业现场使用的控制系统常常需要面对复杂的环境条件，尤其是安装空间、通风条件、环境温度。AO设备的外形设计需要尽可能紧凑，就要求AO电路的体积尽量小。小体积、宽温度的条件下依然保持较高的精度，就需要电路元件具有较低的温漂，或者尽可能降低AO电路的温升。

图1是一个常见的电压转电流的AO输出方案。为了使负载电流可调，需要输出级三极管的管压降大范围变化。在某些的负载条件下，该三极管的发热量会非常高，若AO设备的散热能力不足以抵消该发热，DAC、运放等部件就会因较大的温漂产生较大的精度误差。

图1