使用DAC和微處理器監控器，可以提高工業控制器、可編程邏輯控制器（PLC）和數據采集系統的系統安全性。當發生微處理器故障、光耦合器故障或欠壓情況時，模擬輸出設置為零電平（或引腳可編程中間電平）。演示了有關如何實現此功能的簡單應用程序。

介紹

當發生系統級故障時，工業應用中對安全狀態的需求至關重要。功能豐富的精密數模轉換器（DAC）和微處理器（μP）監控電路和看門狗定時器可用于確保模擬輸出默認為已知的中間電平或零電平電平。

電路操作

工業控制器、可編程邏輯控制器 （PLC） 和數據采集系統 （DAS） 中使用的常見模擬輸出控制信號包括電壓輸出，例如 0 至 5V、0 至 10V、±5V、±10V 和 4–20mA 電流環路。為確保安全完整性，模擬輸出控制信號應默認為已知的中間電平或零電平安全狀態，以響應μP或系統故障。為了提高安全性，模擬輸出模塊通常采用光耦合器在μP和模擬輸出信號之間提供電氣隔離。

圖1電路滿足模擬輸出安全性和可靠性要求。當發生μP故障、光耦合器故障或欠壓情況時，監控電路（U3，MAX6303）將12位DAC（U2，MAX5120）模擬輸出設置為中間電平，進而設置V外至 0V 安全狀態輸出。該電路還通過減少μP上的I/O引腳數量和消除光耦合器來改善平均無故障時間（MTBF）。

圖1.當電源電壓、光耦合器或μP操作發生故障時，該DAC （U2）和μP監控器（U3）共同產生用戶編程的安全狀態默認輸出（V外).

三種DAC特性使電路能夠滿足安全關鍵功能：異步復位輸入（/CLR）、用戶可選復位值輸入（RSTVAL）和用戶可編程輸出（UPO）。這些內置特性還消除了增設光耦合器的需求，減少了μP上的I/O引腳數量，并消除了外部分立電路。μP監控器包括一個電阻可編程復位輸入門限、一個電容可編程看門狗定時器和一個復位超時周期。

以下是電路的工作原理。由于DAC代碼的范圍從000hex到FFFhex，模擬輸出電壓（V外） 范圍為 -10V 至 +10V。運算放大器U1A （MAX9944）由DAC的內部10ppm/°C精密帶隙基準偏移;輸出運算放大器U1B （MAX9944）配置為緩沖器，增益為4。

電路的輸出電壓計算公式為：

VOUT = VREF × (G × NB/4096 - 1) × (RF/RIN + 1)

其中 NB 是 DAC 二進制代碼的數值;V裁判是內部基準電壓;G是U1A的增益;和 RF/R在是 U1B 的增益電阻比。

微處理器監控器 U3 監控隔離電源電壓 （V.ISO） 通過其 V抄送針。它還使用 UPO 監控 WDI 引腳上的 μP 活動，并通過/復位生成復位輸出命令。復位輸入處的電阻分壓器（U3引腳1）確定復位電平電壓門限（V千).同樣，復位超時周期（tRP） 和看門狗超時期限 （t白矮星） 由 SRT 和 SWT 處的電容器值決定。將 WDS 連接到 V抄送進入擴展模式，延長 T白矮星500倍。以下公式計算電路中所需的值：

VRST = VTH(R1 + R2)/R2

其中 V千= 1.22V 和 VRST是可調復位閾值電壓：

C.SRT= tRP/2.67

其中 C.SRT以 pF 和 t 為單位RP以 μs 為單位;CSWT以 pF 和 t 為tWD以 μs 為單位。因此：

CSWT = tWD/(500 × 2.67)

如果 Vcc失敗或如果μP無法通過UPO切換WDI，則U3置位/RESET輸出，通過其CLR輸入復位U2。此操作將 U2 的輸出重置為 RSTVAL 設置的條件（在本例中為中間電平，在 V 時產生 0V外).在正常工作中，μP必須以小于編程看門狗超時周期（t白矮星).以這種方式，UPO輸出例行切換WDI，這意味著UPO在WDI上“踢狗”。請注意，在復位超時周期（tRP），/RESET有效釋放CLR，但DAC輸出在更新之前一直處于中間電平。

U3 的復位輸入和 GND 端子之間的切換允許用戶命令緊急關機。其它用于看門狗功能的器件是MAX6316系列和MAX6369系列，它們均提供固定的超時周期，并提供SOT23封裝。此外，DAC的單極性和雙極性模式允許其產生所有常見的模擬輸出控制信號。

結論

通過精密DAC和看門狗定時器μP監控器的特殊功能，可以實現安全完整性的改進。這些器件共同可以為許多工業控制器應用中使用的模擬輸出提供安全狀態工作條件。

審核編輯：郭婷