具有HART的完全隔離、單通道電壓、4 mA至20 mA輸出的電路

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　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)。

　　圖1.功能框圖(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

　　電路描述

　　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 DV CC SELECT 引腳，內(nèi)部 4.5 V 電源可連接至 DV CC 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

　　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 AD5700-1 IC 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 . Circuit Note CN-0278。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(wú)需另外使用隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

　　i Coupler® 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) 25 V 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)。

　　常見變化

　　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。

　　電路評(píng)估與測(cè)試

　　設(shè)備要求

　　需要使用以下設(shè)備：

　　· The EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP-B)

　　· The 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)。

　　1. 使用附帶的電纜，通過 PC 的 USB 端口連接 EVAL-SDP-CB1Z

　　2. 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(wú)法正常工作。

　　3. 對(duì) J1 連接器施加 24 V ，可上電 EVAL-CN0321-SDPZ

　　4. 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(yè)面。在 HART 頁(yè)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(yè)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 R SET 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) 。

　　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 中的電壓輸出包括 AD5422 電路 +V SENSE 和 −V SENSE 輸入上的 22Ω保護(hù)電阻誤差。 +V SENSE 和 −V SENSE 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

　　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.模擬變化率波形具有HART的完全隔離、單通道電壓、4 mA至20 mA輸出 (CN0321)

　　圖7.模擬變化率波形