作为工业控制与检测系统解决方案，它包括智能传感器、流程控制、马达控制、安全、测试及测量、工业无线网络、可编程逻辑控制、场总线系统、隔离设施与工业供电设计等多项技术。而本文主要对其相关的数字电机控制和隔离设施等二项的技术及可选用芯片应用特征作分析说明。

1、马达的数字电机控制

当今的电机控制应用向电子电路提出了最高效率、最低功耗和最高精度控制等诸多挑战。电机有多种类型，其中数字和模拟解决方案将起着提升电机控制应用性能的作用。

同步电机也被称作BLDC(无刷直流电机)或PMSM(永磁同步电机)。它们之间的唯一差别在于感应电压的波形，这是由于采用了两种不同的定子线圈绕线方式所致。反向电动势波形在BLDC电机中呈现梯形，而在PMSM电机中则是正弦波形的。C2000 DSP控制器(如TMS320F2812控制器)所采用的数字技术使得能够为各种类型的电机选择正确的控制技术。DSP的处理能力可使机器发挥其最佳性能，并降低系统成本。可选方案包括采用传感器需要量较少的技术来降低传感器成本(甚至无需传感器)；此外，复杂算法的运用也能够对简化机械驱动传动装置设计有所帮助，同样可实现系统成本的削减。

对于异步电机，调速是具有代表性的问题。变速驱动应用中普遍使用的是采用SPWM配置的三相逆变器。根据应用的不同，可以选用无需反馈的简单V/Hz开环控制或需要电流、电压和速度信息的矢量控制。

其开环控制(V/Hz)特点为：易于实现，即只需向电机馈送三个正弦波：无需位置信息，即未提供优良的动态性能与扭矩输出并未只针对所有的速度进行优化。

矢量控制(亦称“面向场的控制”)使得设计师能够满足所有的“理想”控制要求。由于DSP集成及其处理性能(MIPS)实现了实时控制，因此，一旦获知了所有的系统参数(比如电流相位和总线电压)，便可在恰当的时刻提供合适的功率。

1. 1伺服电机控制应用及重点产品

图1为典型的伺服电机控制原理框图。IU、IV和IW通道负责测量电机的电流。电机的位置/速度和负载由Ax、Bx等利用解算器或模拟编码传感器来同步测量。为获得最高的电机定位准确度，同时实现对至少两个电流(或全部三个电流)的进行采样是至关重要的。ADC必须具有上佳的线性和低偏置。通道ANl用于测量差分DC链路电压。快速采样(每个通道的采样时间约2μs或更短)可用于确保IGBT控制的快速漏电流检测。AN3测量电机的温度。窗口比较器的电平输入被连接至一个用于控制的8位DAC。

1.2异步，直流及伺服电机

*分流调制器ADSl203

ADSl203是具有95dB动态范围、采用一个单独的+5V电源工作的ΔΣ调制器。差分输入是实现与变换器或低电平信号的直接连接的理想选择。采用8引脚下SSOP封装或16引脚QFN(3x 3)封装。图2(a)为分流调制器ADSl203原理框图。

其主要特点为：分辨率16位；输入范围±250mV；线性度±1LSB(典型值)；2.5V内部基准。

*产品糸列为：16位、单通道、±250mV输入范围，ADS1202；16位、单通道、±250mV输入范围，ADSl203；16位、四通道、0V至5V输入范围，ADSl204；16位、双通道、0V至5V输入范围，ADSl205；16位、单通道、±100mV输入范围，ADSl208；INAl39高端分流监控器(差分放大器)，高达36V的共模输入；INAl69：高端分流监控器(差分放大器)，高达60V的共模输入。

*控制器系列，定点型TMS320C28X

C28x系列控制器是首个基于控制的32位DSP，带片置可重复编程闪存、出厂前已经装载程序的ROM、或高性价比RAM(仅作为内存选项)，性能可达100-150MIPS。

其规格为：32位、定点C28x DSP内核；工作性能最高可达150-MIPS；1.8/1.9V核心及3.3V外设；易用的软件及开发工具，用于加速产品面市。图2(b)为TMS320F2812控制器方框示意图。

可在数字电机控制、数字电源、先进的工业传感、车载、医药及消费市场等领域方面使用。

* 2+2通道同时采样、16位ADC ADS8361

ADS8361是16位、500kSPSADC，具有四个全差分输入通道(分为两对)，可用于高速、同步信号采集。该器件提供了高速、双串行接口，采用SSOP-24封装，并针对-40℃至+85℃C的工作范围拟订了技术规格。

其主要特点为：四个全差分输入通道；2μs吞吐每通道；积分线性误差(INL)±3LSB(典型值)；功耗150mW；2.5V内部基准；电源电压2.7V至5.5V；引脚兼容，可升级到ADS7861(12位至16位)。图2( c )为ADS8361原理框图。除此以外还有12位、2x 2通道、串行接口ADC7861；12位、2x 2通道、并行接口ADS7862；16位、2x 2通道、串行接口ADS8361等。

*完全的模拟前端ADS7869

ADS7869是模拟前端的下一代继任产品，包括三个ADC，总共有7今S/H电容器以及12个全差分输入通道。有4个符号比较器与4个输入通道相连。该器件提供了非常灵活的数字接口，具有三种不同的模式．从串行SPI、可调并行、一直到VECANA01兼容型模式。硅芯片上还增设了两个加法/减法可逆计数器(up-down counter)，用于进行位置传感器分析。该功能可确保编码器的模拟输入与计数器的值同步。

其主要特点为：分辨率12位；2个片上加法/减法可逆计数器模块；采样速率1MSPS。积分线性误差±1LSB(典型值)；功耗250mW；封装型式TQFP-100封装。

* 1.8V、7MHz、90dB CMRR(共模抑制比)轨至轨I/O运算放大器OPA363、OPA364

0PA363和0PA364系列是专为低电压、单电源操作而优化的高性能CMOS运算放大器。这些专为采用1.8V(±0.9V)至5.5V(±2.25V)的单工作电源而设计的放大器是电池供电型系统中的传感器放大以及信号调节的理想选择。此器件专为驱动中等速度(最高100kHz)的A／D转换器进行了优化，并提供了卓越的CMRR，而无需采用传统的互补输入级中常见的交叉通路。输入共模范围包括正负电源，电源轨输出电压摆幅在的10mV以内。所有器件版本均针对-40℃至/125℃的工作范围拟订了技术规格。图2(d)为 OPA3633原理框图。

其主要特点为：转换速率：5V/us；低失调：500pV(最大值)；静态电流：750uA/通道(最大值)；可提供单通道、双通道和四通道版本；封装型式．SOT23-5封装、S0-8封装、MSOP-8封装、TSSOP-14封装、S0-14封装。

可在信号调节、数据采集、流程控制、测试设备及有源滤波器领域上应用。

2、隔离设施技术与应用

2.1“隔离”型特征与隔离放大器应用

何谓“隔离”型。在许多应用中，传感器与由其提供数据的系统之间需要甚至必要的非直接的(导电)电连接，从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压(或电流)对其另一部分造成损害。这种系统被称为“隔离”型，而未接电的情况下阻碍信号传递的区域则被称作“绝缘势垒”。

绝缘势垒的保护作用是双向的，对于系统的两个组成部分来说，或许只有一个部分需要这种保护，也或许两个部分都需要。要求进行隔离保护的常见应用是那些传感器有可能偶尔遭遇高电压、而这个由传感器驱动的系统又是必须加以保护的场合。也有可能需要将传感器与出现在下游电路中的意外高压加以隔离，以保护其周围环境：例如包括防止由传感器所在区域的火花引起易爆气体燃烧或保护患者免遭ECG、EEG和EMG测试和监测设备的电击。ECG应用可能需要双向绝缘势垒：即必须保护患者免遭心脏除颤器所施加的高电压(>7.5kY)的电击，并防止操作设备的技术人员承受意外反馈电压。

而隔离放大器传送模拟信号，使其通过直流绝缘势垒。与光隔离数字耦合器相似，通常需要隔离电源来给放大器的两侧供电。有些隔离放大器在放大器的输入侧提供内部隔离电源。

*隔离放大器应用

在存在高共模电压时对低电平信号进行放大和测量；传感器相对其他电路处于高电位的场合；不管其他电路出现什么故障(比如患者监控设备以及原本安全的设备使用时遇到易爆气体)，传感器都不能承受危险电压的场合；断开接地回路和/或切断电源与地的连接；为电子仪器和设备提供隔离保护。

*隔离放大器的设计

隔离放大器的设计困难包括偏置、漂移、增益精确性、非线性度或失真。高性能隔离放大器采用线性光电耦合器(LOC)．或者是运用数字电容隔离技术的调制器，这两种器件均采用差分方式来实现，以便在大信号范围内提高线性度。隔离放大器采用双反馈电路拓扑结构来大幅度地降低失真。

虽然通过势垒的反馈可以对这些误差进行校正，但它只在势垒两侧的电路精确匹配时才能做到这一点。由于电路并不处在同一块芯片上，因此难以实现。在集成电路隔离放大器中，输出和反馈解调器是由同一块硅晶圆片的“相邻”小片制成的，因此实现了优于分立型设计的匹配性。

其设计根据为：

额定隔离电压-即能够加到放大器输入侧和输出侧之间的最大电压。其范围可达几千伏。交流电压和直流电压的额定值可能有所不同，且应用要求有可能限定安全系数或特殊的工业标准。

漏电流-电容隔离放大器，比如IS0124系列，在240V/60Hz条件下的最大漏电流通常为0.5μARMS。

图3(a)为用电容隔离放大器IS0124系列对单电源隔离温度测量的设计原理图。

2.2电隔离解决方案

系统设计师必须处理会影响或破坏系统性能的电源质量低劣、接地故障和雷击等各种问题。此外，网络节点的间距可能相当大，且常常由不同接地区域的AC插座来给这些节点供电。这些接地区域之间的电位差可能含有DC偏压、50或60Hz的AC谐波和各种瞬态噪声分量。

如果通过电缆逻辑接地或屏蔽将这些地线连接在一起，则可能形成接地环路，且电流将流入该电缆。接地环路电流会对网络产生严重影响，包括数据恶化、EMI过大、元件损坏，当电位差足够大时，人体就有遭受电击的危险。

新型磁耦合隔离技术依然存在着像缺乏故障保险输出、无法处理仅含直流分量的信号、以及工作温度范围受限这些老问题。同时，与感应器的新型连接还带来了易受外部磁场影响，以及随机出现的高压情况缩减了使用寿命等一系列新问题。

当今不少公司(如TI公司)隔离解决方案是专为消除与现有隔离技术相关的问题而设计的。常见的问题有高功耗、缺乏故障保险输出、低信号传输速率以及高脉宽失真等。采用光电耦合器时，由于接通光电晶体管所需的电流量随器件的老化而增加，因此光电转换的低效率问题变得尤为突出。这是因为LED的光发射效率会随着其使用时间的增加而下降，而且高工作温度还会加剧这种情况。

IS0721和IS0722提供的隔离解决方案解决了所有这些问题。目前正在开发的其他隔离产品包括多通道隔离器、隔离式CAN及RS-485收发器(见图3(c)所示)、隔离运算放大器、隔离数据转换器和隔离门控制器接口。

2.3 3.3V高速数字隔离器IS0727及其应用

*3.3V高速数字隔离器IS0727特征

IS0721数字隔离器是逻辑输入和输出缓冲器，由提供高达1000V电隔离的二氧化硅(Si0：)绝缘势垒分开。当与隔离电源一道使用时，该器件可防止数据总线或其他电路上的噪声电流进入本机接地以及干扰或损坏敏感电路。图3( b )为 IS0721原理框图。

二进制输入信号在被调节并转换为平衡信号之后，由电容性绝缘势垒对其进行差分。在绝缘势垒的两端，差分比较器将接收逻辑变换信息，然后相应地对触发器和输出电路进行置位或复倒操作。通过发送一个能穿过绝缘势垒的周期性刷新脉冲，以确倒正确的输出直流电平。如果在超过4us的时间里未接收到该DC新脉冲，则认为输入没工作或无效，故障保险电路将把输出驱动至逻辑高电平状态。其主要特点为：4000V隔离；故障保险输出；信号传输速率高达100Mbps；通过了ULl577、IEC60747-5-2(VDE0884第二版)、IEC61010-1和CSA标准的认证；可承受25kV/μs的瞬变.

*高速数字隔离器IS0727应用-电隔离解决方案举例(见图3(c)所示)

现场总线应用：见图3( c )的灰色园中，用数字耦合器ISO72xx+RS485发送器或CAN发送器组成的电隔离方案，使DSP TMS320C28X能安全可靠的实施电机与其它电器设备的数字控制