CN0321 經(jīng)驗(yàn)證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工 作，并具有良好的精度。如果應(yīng)用只需要 4 mA 至 20 mA 電流 輸出，則可以使用單電源方案。這種情況下， AD5422 的正 AV DD 電源可以達(dá)到比如 24 V ，而輸出順從電壓為 24 V ? 2.5 V = 21.5 V 。輸出電流為 20 mA 時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)高達(dá) 1kΩ的負(fù)載 電阻。 如果應(yīng)用不需要 16 位分辨率，可以使用 12 位產(chǎn)品AD5412對(duì)于僅需電流輸出的應(yīng)用，可以使用AD5420(16位) 和 AD5410 (12位) 對(duì)于需要在同一個(gè)引腳輸出電壓和電流的應(yīng)用，參見電路筆記CN-0278中的技巧。 若不需要過壓保護(hù)，則可以采用數(shù)值較低的最大電源電 壓，如 ADR4550或 ADR445。 ADuM347x隔離器( ADUM3470, ADuM3471, ADuM3472, ADuM3473和ADuM3474)提供四個(gè)獨(dú)立的隔離通道，支持 多種輸入 / 輸出通道配置。這些器件還提供 1 Mbps(A 級(jí) ) 或 25 Mbps(C 級(jí) ) 的最大數(shù)據(jù)速率。 可使用 AD5700調(diào)制解調(diào)器，而非 AD5700-1；但需要使用 外部晶體或 CMOS 時(shí)鐘。 模擬輸出 對(duì)于工業(yè)控制模塊，標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出電壓和電流范圍包括 ±5 V 、 ±10 V 、 0 V 至 +5 V 、 0 V 至 +10 V 、 +4 mA 至 +20 mA 和 0 mA 至 +20 mA 。AD5422是一款精密的、全集成 16 位 DAC ， 內(nèi)置可編程電流源和可編程電壓輸出，設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè) 過程控制應(yīng)用的需要。 AD5422提供前面列出的所有輸出范圍，電流輸出范圍和電 壓輸出范圍分別以獨(dú)立引腳提供。針對(duì)所有電壓范圍提供 10% 超量程功能，并且針對(duì)電流輸出提供 0 mA 至 20 mA 超量 程。模擬輸出受短路和開路保護(hù)。 AD5422具有一個(gè)片上 10 ppm/°C 基準(zhǔn)電壓源。為了在額定溫度 范圍內(nèi)達(dá)到更高的性能，該設(shè)計(jì)使用了ADR02基準(zhǔn)電壓源。ADR02是一款 5 V 精密基準(zhǔn)電壓源，允許高達(dá) 36 V 的輸入電 壓。其最大精度誤差為 0.05% ，最大溫度漂移為 3 ppm/°C 。 該漂移在工業(yè)溫度范圍內(nèi)會(huì)貢獻(xiàn)大約 0.02% 誤差。 AD5422支持以內(nèi)部或外部精密電流設(shè)置電阻作為電流輸出 電路。本設(shè)計(jì)使用內(nèi)部電流檢測(cè)電阻選項(xiàng)；但通過使用精 密外部 15 kΩ電阻，可達(dá)到更高的精度。 通過浮空 AD5422的DVCCSELECT引腳，內(nèi)部4.5 V電源可連接至DVCC引腳，用于AD5700-1的數(shù)字電源和隔離器的現(xiàn)場(chǎng)端。也可使用 ADuM3471上的5 V輸出型低壓差(LDO)穩(wěn)壓器。LDO提供更緊湊的5 V穩(wěn)壓供電軌；但由于ADuM3471穩(wěn)壓器輸入引腳上的絕對(duì)最大額定值，它不允許高于20 V的直流過壓。 EVAL-CN0321-SDPZ硬件的輸出連接器配置見表1 表1.輸出引腳 引腳名稱 輸出類型 OUT2 電壓輸出范圍 GND 接地 OUT1 電流輸出范圍 HART兼容性 AD5700-1與 AD5422搭配使用，組成完整的 HART 兼容型 4 mA 至 20 mA 解決方案。 AD5700-1是 0.5% 精密內(nèi)部振蕩器，可極 大節(jié)省在通道間隔離的應(yīng)用中的板上空間；這類應(yīng)用原本 需要針對(duì)每通道使用時(shí)鐘晶體。晶體通常比AD5700-1IC 本 身要大；因此，內(nèi)部振蕩器節(jié)省下來的面積空間是巨大的。 HART 調(diào)制解調(diào)器輸出通過 C1 和 C2 衰減，并通過 CAP2 引腳 交流耦合至AD5422。其他信息參見 AN-1065應(yīng)用筆記?。電路筆記CN-0278描述了一種使用 R SET 引腳的替代HART耦合方式，具有更高的電源抑制性能，但需要使用一個(gè)外部精確電流設(shè)置電阻。 隔離電源 AD5422需要的電壓輸出裕量最大值為 0.8 V ，并且電流輸出 需要最大值為 2.5 V 的裕量。因此，需要一個(gè)大于 12.5 V 的電 源，以便通過 500Ω負(fù)載輸出 20 mA 電流。在本設(shè)計(jì)中，最 小電源電壓 ( 過溫 ) 不超過 13.5 V ，允許具有一定裕量。 ADuM347x為四通道數(shù)字隔離器，集成脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制器和低阻抗變壓驅(qū)動(dòng)器 (X1 和 X2) 。隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器僅需要以下額外器件：變壓器和簡(jiǎn)單的全波 二極管整流器。采用 5.0 V 或 3.3 V 輸入電源時(shí)，器件最多可 提供 2 W 的調(diào)節(jié)隔離功率，因而無需另外使用隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。 iCoupler?芯片級(jí)變壓器技術(shù)用于隔離邏輯信號(hào)；集成的變 壓器驅(qū)動(dòng)器帶隔離副邊控制功能，可以提高隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率。內(nèi)部振蕩器頻率可以在 200 kHz 至 1 MHz 范 圍內(nèi)調(diào)整，由 R OC 的值決定。當(dāng) R OC = 100 kΩ時(shí)，開關(guān)頻率 為 500 kHz 。 ADuM3471調(diào)節(jié)來自 15 V 正電源。調(diào)節(jié)反饋來自分壓器網(wǎng)絡(luò) (R1 和 R2) 。電阻根據(jù)以下要求選擇：當(dāng)輸出電壓為 15 V 時(shí)， 反饋電壓為 1.25 V 。反饋電壓與ADuM3471內(nèi)部反饋設(shè)定點(diǎn)電壓1.25 V相比較。調(diào)節(jié)通過改變驅(qū)動(dòng)外部變壓器的 PWM 信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)。 負(fù)電源的調(diào)節(jié)不太嚴(yán)格，且空載時(shí)可能低至 ?26.4 V 。因此，在負(fù)電源處放置一個(gè)25V齊納二極管。輕載時(shí)，二極管從電 源獲取小電流，但可確保其箝位在 25 V 左右。 另一種方法是使用匝數(shù)比為 4:1 的隔離式變壓器；當(dāng)其空載時(shí)，負(fù)供電軌不會(huì)過低。在要求較高順從電壓或極低功耗 的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)考慮其它電源設(shè)計(jì)。 輸入功率 圖 1 中的電路采用 24 V 電源供電。 ADP2441用于將 24 V 降壓 為 5 V ，為所有控制器側(cè)電路供電。 ADP2441可接受最高 36 V 的電壓，并且可更加輕松地達(dá)到可 靠的電源輸入瞬變保護(hù)。 ADP2441還具有其他各種安全性 / 可靠性功能，如欠壓閉鎖 (UVLO) 、精確使能特性、電源良好引腳和過流限值保 護(hù)。對(duì)于 24 V 輸入和 5 V 輸出，它能達(dá)到最高 90% 效率。 隔離 ADuM3471電源隔離電路包括四個(gè)完全隔離的電壓通道，隔離額定值為2.5 kV。這四個(gè)通道用于隔離AD5422的四條數(shù)據(jù)線路(SCLK、LATCH、SDIN和SDO)。SDO線路隔離對(duì)于電路運(yùn)行而言并非必要，但允許訪問診斷和故障特性，以及寄存器回讀。 ADuM3482是一款3.75 kV四通道數(shù)字隔離器，采用小型20引腳SSOP封裝(7.2 mm × 7.8 mm)。 ADuM3482內(nèi)核工作電壓范圍為3.0 V至5.5 V，而I/O電源范圍為1.8 V至5.5 V。這些器件可用于直接與1.8 V邏輯器件接口。該隔離器用于隔離AD5700-1 HART調(diào)制解調(diào)器的UART信號(hào)。 有關(guān)i產(chǎn)品的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問 www.analog.com/icoupler. 直流過壓保護(hù) 圖 1 中的電路允許對(duì)持續(xù)的直流電壓 +36 V 和 ?28 V 進(jìn)行過壓 保護(hù)。這意味著，在直流電源線路意外連接輸出時(shí)，電路 受到保護(hù)。 在過壓條件中，電源通過外部保護(hù)二極管拉高或拉低。這 些二極管和輸出端之間的電阻限制了峰值電流。 輸出端的最大 / 最小電壓受限于任意連接輸出或電源電路的 擊穿電壓。 AD5422的電流和電壓輸出可耐受 +48 V 至最低 ? 28 V 。 AV SS 輸入可耐受 ?28 V ， AV DD 可耐受 +48 V 。 ADR02基準(zhǔn)電壓源輸入可耐受 36 V 。 AD5700-1的 ADC_IP 引腳受 150 kΩ電阻保護(hù)，該電阻限制所有電流，后接一個(gè) 300 pF 隔直電容。在直流過壓條件下，勿將其他 IC 暴露在較高的 電壓下。 瞬變電壓保護(hù) AD5422內(nèi)置 ESD 保護(hù)二極管，可防止正常操作造成的損 害。但是，工業(yè)控制環(huán)境會(huì)使 I/O 電路遭受高得多的瞬 變。為了防止過高瞬態(tài)電壓影響 AD5422，可能需要外部功 率二極管和浪涌電流限制電阻，如圖 1 所示。 對(duì)電流輸出路徑上電阻值的制約條件 ( 圖 1 中的 18 Ω) 是：正 常工作時(shí)， I OUT 輸出電平必須保持在其順從電壓限值內(nèi)， 即 AV DD ? 2.5 V ，并且兩個(gè)保護(hù)二極管和電阻必須具有適當(dāng) 的額定功率。在 18 Ω 下，對(duì)于 4 mA 至 20 mA 輸出，引腳上 的電壓限值會(huì)降低 V = IMAX × R = 0.36 V. 對(duì)電壓輸出路徑上電阻值的制約條件 ( 圖 1 中的 100 Ω) 是： 整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)必須具有 0.8 V 裕量。電阻效應(yīng)可通過 +V SENSE輸入降至最低。如圖 1 所示， +V SENSE 輸入受 22 Ω 電阻 保護(hù)。相應(yīng)地， ?V SENSE 路徑上還有一個(gè) 22 Ω 電阻。這兩個(gè) 22 Ω 電阻會(huì)導(dǎo)致絕對(duì)增益誤差，該誤差可能需要在室溫下 加以校準(zhǔn)；產(chǎn)生該誤差的原因是 AD5422的內(nèi)部反饋電路阻 抗僅為70kΩ。在 AD5422的輸出端 ( 而非 V OUT 引腳 ) 檢測(cè)電壓 的優(yōu)勢(shì)是， V OUT 引腳的保護(hù)電阻兩端具有可變電壓，具體 取決于所獲取的負(fù)載電流。在輸出端檢測(cè)可避開此誤差源。 還可以通過瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 或瞬態(tài)吸收器實(shí)現(xiàn)進(jìn)一 步的保護(hù)。這些元件包括單向和雙向抑制器，可提供各種 各樣的隔離和擊穿電壓額定值。 TVS 應(yīng)盡量采用最低擊穿 電壓定標(biāo)，同時(shí)在電流正常輸出的范圍內(nèi)不導(dǎo)通。如前所述，建議保護(hù)所有遠(yuǎn)程連接節(jié)點(diǎn)。 設(shè)備要求 需要使用以下設(shè)備： ?EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP-B) ?EVAL-CN0321-SDPZ評(píng)估板和軟件 PC(Windows?32位或64位) 24 V電源 精密電壓表，如Agilent 34410A 數(shù)字測(cè)試濾波器(如HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會(huì)獲得) 500 Ω精密負(fù)載電阻 Tektronix DS1012B示波器或等同產(chǎn)品 ? 圖2.測(cè)試設(shè)置功能框圖 ? 測(cè)試設(shè)置功能框圖 測(cè)試設(shè)置的框圖如圖2所示。 軟件安裝 評(píng)估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)、Vista(32位或64位)，或Windows 7(32位或64位)。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。 請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將評(píng)估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。 使用附帶的電纜，通過PC的USB端口連接EVAL-SDP-CB1Z 連接EVAL-CN0321-SDPZ評(píng)估板至連接器A。若使用了連接器B，則EVAL-SDP-CB1Z的UART將無法正常工作。 對(duì)J1連接器施加 24 V，可上電EVAL-CN0321-SDPZ 啟動(dòng) EVAL-CN0321-SDPZ軟件，然后確認(rèn)出現(xiàn)的所有對(duì)話框。這樣就完成了安裝。 軟件 軟件主窗口如圖3所示。點(diǎn)擊Advanced可提供配置 AD5422的更多選項(xiàng)。 ? 圖3.軟件主窗口 ? 對(duì)于HART通信而言，確保開啟了電流輸出范圍，然后選擇HART頁面。在HART頁面上，數(shù)據(jù)可輸入Command命令框，然后發(fā)送4 mA至20 mA環(huán)路；軟件可以設(shè)為輪詢4 mA至20 mA環(huán)路上的任意數(shù)據(jù)。也可選擇HART Query頁面，查詢所連接HART兼容型執(zhí)行器的器件地址和器件類型。 絕對(duì)精度性能 在電流輸出模式下，AD5422使用內(nèi)部RSET的總不可調(diào)整誤差(TUE)規(guī)格為0.08%FSR(典型值，25°C)。 ADR02基準(zhǔn)電壓源(B級(jí))的總誤差為0.06%最大值(25°C)。 表2 測(cè)量電流輸出誤差(4mA至20mA范圍) 代碼(十六進(jìn)制) 輸出端電流(mA) 誤差(%FSR) 0000 3.992 -0.049 4000 7.995 -0.034 8000 11.997 -0.018 B000 16.000 +0.001 FFFF 20.003 +0.020 結(jié)果位于預(yù)期值范圍內(nèi)。 類似地，對(duì)于電壓輸出模式， AD5422的TUE為0.01%FSR(典型值，25°C)。 ADR02基準(zhǔn)電壓源(B級(jí))的誤差為0.06%最大值(25°C)。 表3顯示±10 V輸出范圍內(nèi)，電路的測(cè)量電壓輸出誤差。 表3 測(cè)量電壓輸出誤差(±10V范圍) 代碼(十六進(jìn)制) 輸出端電流(mA) 誤差(%FSR) 0000 -10.010 -0.050 4000 -5.005 -0.023 8000 +0.001 +0.003 B000 +5.006 +0.031 FFFF +10.011 +0.057 表3中的電壓輸出包括AD5422電路+VSENSE和?VSENSE輸入上的22Ω保護(hù)電阻誤差。+VSENSE和?VSENSE輸入內(nèi)部連接至數(shù)值約為70 kΩ的反饋電阻。額外的22 Ω電阻從外部加入約為22Ωk/70Ωk(或0.031%)的增益誤差。該初始誤差可通過校準(zhǔn)消除。 積分非線性(INL)性能 AD5422的INL在線性電源和隔離式DC/DC開關(guān)電源兩種情況下進(jìn)行測(cè)試，確保系統(tǒng)精度不會(huì)因?yàn)殚_關(guān)電源而有所損失。圖4顯示的是線性電源以及開關(guān)電源下的INL。與線性電源相比，使用開關(guān)電源時(shí)性能沒有明顯損失。 ? 圖4.使用線性電源和開關(guān)電源的電路實(shí)測(cè)INL ? 此外還測(cè)試并比較了線性電源和開關(guān)電源兩種情況下一定時(shí)間內(nèi)的平均輸出噪聲，如圖5所示。注意，一定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的輸出噪聲存在細(xì)微的偏差。這一偏差不超過1 LSB，可能由略為不同的測(cè)量設(shè)置引入，或兩次測(cè)量間隔期間的基準(zhǔn)電壓漂移引入。 ? 圖5.實(shí)測(cè)平均DAC輸出噪聲，1000次采樣，電表設(shè)為NPLC = 1 ? HART兼容性 圖1中的電路要與HART兼容，必須符合HART物理層規(guī)范。HART規(guī)范文檔中包含了眾多物理層規(guī)范。為了評(píng)估硬件性能，采用靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率測(cè)試。 靜默期間的輸出噪聲測(cè)試 當(dāng)HART設(shè)備沒有進(jìn)行傳輸(靜默)時(shí)，噪聲不應(yīng)耦合至網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過高可能會(huì)干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備對(duì)HART信號(hào)的接收。 對(duì)于在環(huán)路中的500Ω負(fù)載上測(cè)得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和HART擴(kuò)展頻帶中的相關(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外，HART擴(kuò)展頻帶外的噪聲不應(yīng)超過138 mV rms。 500Ω負(fù)載上的噪聲采用真均方根測(cè)量?jī)x測(cè)得。此噪聲作為帶外噪聲直接進(jìn)行測(cè)量，作為帶內(nèi)噪聲通過HCF_TOOL-31濾波器測(cè)量。還需要使用示波器來檢查噪聲波形。 圖6顯示捕獲的噪聲波形，結(jié)果總結(jié)在表4中。 ? 圖6.靜默波形下的輸出噪聲 ? 表4.靜默期間的輸出噪聲 輸出噪聲 測(cè)得值 (mV) 擴(kuò)展頻率范圍以外 0.6 <138 擴(kuò)展頻率范圍以內(nèi) 0.126 <2.2 模擬變化率 模擬變化率測(cè)試可確保器件調(diào)節(jié)模擬輸出電流時(shí)，模擬電流的最大變化率不會(huì)干擾HART通信。電流的階躍變化會(huì)擾亂HART信號(hào)傳輸。 最差情況下的模擬輸出電流變化一定不能產(chǎn)生高于15 mV峰值電壓的干擾，此數(shù)值在HART擴(kuò)展頻帶下，通過對(duì)500Ω負(fù)載進(jìn)行測(cè)量得到。 AD5422 DAC和輸出驅(qū)動(dòng)器相對(duì)較快。因此，為了滿足所需的系統(tǒng)規(guī)格，輸出電流變化受限于使用 AD5422 CAP1和CAP2引腳電容時(shí)的硬件壓擺率限值，以及 AD5422的數(shù)字壓擺率控制特性。詳見AN-1065應(yīng)用筆記。 使用一個(gè)示波器執(zhí)行該測(cè)試，并通過HCF_TOOL-31濾波器耦合至500Ω負(fù)載。 結(jié)果如圖7所示。4 mA至20 mA輸出線路(見圖7中的藍(lán)線)顯示4 mA和20 mA之間的周期性步進(jìn)，直接在500Ω負(fù)載上測(cè)得。濾波器放大10倍的輸出(見圖7中的紅線)是HCF_TOOL-31濾波器輸出端捕獲的信號(hào)，將其放大10倍，并處于150 mV峰值限制之內(nèi)。 ? 圖7.模擬變化率波形 ? CN0321 具有HART的完全隔離、單通道電壓、4 mA至20 mA輸出 該電路提供一款完整的、完全隔離、模擬輸出通道，適合需要標(biāo)準(zhǔn)4mA至20 mA HART?1-兼容型電流輸出和單極性/雙極性輸出電壓范圍的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。它為通道間隔離PLC/DCS輸出模塊或其他所有需要完全隔離式模擬輸出的工業(yè)應(yīng)用提供了靈活的構(gòu)建塊。電路在模擬輸出端還提供了外部保護(hù)功能。 AD5422 16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)可通過軟件配置，提供全部必須的電流和電壓輸出。 AD5700-1是業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器，與AD5422配合使用，組成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解決方案。AD5700-1集成內(nèi)部精密振蕩器，可額外節(jié)省空間，尤其在通道間隔離應(yīng)用中。PLC/DCS解決方案必須與本地系統(tǒng)控制器隔離，使之免受接地環(huán)路影響，同時(shí)確保不受外部事件影響。傳統(tǒng)解決方案利用分立IC提供電源和數(shù)字隔離。當(dāng)需要多通道隔離時(shí)，分立電源解決方案的成本和空間會(huì)變成一個(gè)大大的缺點(diǎn)?；诠飧綦x器的解決方案通常具有合理的輸出調(diào)節(jié)，但需要額外的外部元件，因而會(huì)使電路板面積增大。電源模塊常常體積龐大，而且輸出調(diào)節(jié)可能不佳。圖1中的電路使用ADuM347x 系列隔離器和電源調(diào)節(jié)電路，以及相應(yīng)的反饋隔離。使用外部變壓器將功率傳輸?shù)礁綦x柵的另一端。 ADuM3482為 AD5700-1提供UART信號(hào)隔離。 ADP2441, 是36 V降壓DC-DC穩(wěn)壓器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24 V電源，具有寬輸入電壓容差。它可將電壓降為5 V，為所有控制器側(cè)電路供電。該電路還在24 V電源端集成了標(biāo)準(zhǔn)外部保護(hù)，同時(shí)還可提供+36 V至?28 V的直流過壓保護(hù)。 1 HART is a registered trademark of the HART Communication Foundation. 圖1.功能框圖(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) ? cn0321 CN0321 | circuit note and reference circuit info 具有HART的完全隔離、單通道電壓、4 mA至20 mA輸出 | Analog Devices 該電路提供一款完整的、完全隔離、模擬輸出通道，適合 需要標(biāo)準(zhǔn)4mA至20 mA HART^?1-兼容型電流輸出和單極性/雙極性輸出電壓范圍的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。它為通道間隔離PLC/DCS輸出模塊或其他所有需要

• 電壓和4mA至20mA輸出
• 完全隔離
• HART 連接能力

(analog)