使用4引腳或6引腳端子板的PLC/DCS通用模擬輸入

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

CN0325評(píng)估板(EVAL-CN0325-SDPZ)

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路提供兩個(gè)16位全隔離式通用模擬輸入通道，適用于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。兩個(gè)通道均支持軟件編程，以及多種電壓、電流范圍和熱電耦、RTD類型，具體如圖1所示。輸入通道提供±30 V直流過(guò)壓條件保護(hù)。

演示板含有兩個(gè)不同的全隔離式通用輸入通道，一個(gè)帶4引腳端子板(CH2)，一個(gè)帶6引腳端子板(CH1)。對(duì)于4引腳端子板(CH2)，電壓、電流、熱電偶和RTD輸入全部共用相同的4個(gè)端子，從而最大限度地減少了所需端子引腳的數(shù)量。對(duì)于6引腳端子板通道(CH1)，電壓和電流輸入共用一組3個(gè)端子，熱電偶和RTD輸入共用另一組3個(gè)端子;這需要更多端子，但其器件數(shù)量較少，元件成本也較低。圖2所示為PCB照片，圖3所示為電路的詳細(xì)原理圖。

電路描述

AD7795低噪聲、16位Σ-Δ ADC搭載片內(nèi)儀表放大器和基準(zhǔn)電壓源，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用。片內(nèi)儀表放大器和電流源為RTD和熱電偶測(cè)量提供了一種完整的解決方案。對(duì)于電壓和電流輸入，AD8226儀表放大器(其CMR大于90 dB)用于提供高輸入阻抗，抑制共模干擾。通過(guò)一個(gè)精密電阻分頻器將電壓和電流信號(hào)縮放至ADC的范圍之內(nèi)。

ADR441是一款超低噪聲、低壓差XFET® 2.5 V基準(zhǔn)電壓源，用作ADC的基準(zhǔn)電壓源。

對(duì)于4引腳端子板通道(CH2)，使用ADG442、低RON防閂鎖開(kāi)關(guān)來(lái)在電壓、電流、熱電偶和RTD輸入模式之間切換。

數(shù)字和電源隔離采用ADuM3471實(shí)現(xiàn)，這是一款PWM控制器和變壓器驅(qū)動(dòng)器，搭載四通道隔離器，用于基于外部變壓器產(chǎn)生±15 V隔離式電源。ADuM1311三通道數(shù)字隔離器也用在4引腳端子板電路中，用于隔離ADG442開(kāi)關(guān)的控制線路。

ADP2441 36 V降壓DC-DC穩(wěn)壓器輸入電源的容限較寬，是接受24 V工業(yè)電源的理想之選。最高可接受36 V電源，因而更有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸入進(jìn)行可靠的瞬變保護(hù)。將輸入電壓降至5 V，以驅(qū)動(dòng)ADuM3471以及所有其他控制端電路。電路在24V電源端還提供了外部保護(hù)功能。

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(guò)流限值保護(hù)。還可以在24 V輸入、5 V輸出配置中實(shí)現(xiàn)最高90%的效率。

硬件

圖2所示為含4引腳端子板的通道位置以及含6引腳端子板的通道位置。同時(shí)顯示了24 V電源輸入的位置。

通道選擇

需要插入并切換跳線，以配置CH1和CH2之間的電源和SPI信號(hào)，如表1所示。

電源配置

用24 V電源來(lái)驅(qū)動(dòng)評(píng)估板的控制器端。也可使用5 V電源，旁路ADP2441電路。該5 V輸入不具有任何過(guò)壓保護(hù)功能，不得超過(guò)6 V。所用電源應(yīng)通過(guò)J4鏈路選項(xiàng)進(jìn)行配置，如表2所示。

對(duì)于隔離柵的模擬輸入端，有兩種選項(xiàng)可用于驅(qū)動(dòng)模擬電路的5 V穩(wěn)壓電源?？墒褂肁DP1720線性穩(wěn)壓器將15 V電源降至5 V，也可使用ADuM3471的內(nèi)置5 V穩(wěn)壓器。兩種選項(xiàng)的鏈路配置如表3所示。

電壓和電流

P12連接器用于電壓和電流輸入連接。圖11和圖12所示為該輸入連接和配置的簡(jiǎn)化原理圖。支持的差分輸入范圍為：0 V至5V、0 V至10V、±5V、±10 V、0 mA至20 mA、4 mA至20 mA和±20 mA。在V1+和V1–之間連接電壓或電流輸入，因?yàn)殡娏鬏斎霑?huì)同時(shí)把V1+和I1引腳短接在一起。結(jié)果連接一個(gè)249 Ω精密電流檢測(cè)電阻，其精度為0.1%，額定值為0.25 W。

熱電偶

P12連接器也用于熱電偶輸入?？梢赃B接多種熱電偶類型，包括J、K、T和S。熱電偶連接于V1+和V1-輸入之間(圖5)。下面的圖6所示為將熱電偶(例如，T型)連接到通用型模擬輸入板的方法。熱電偶輸入的簡(jiǎn)化原理圖見(jiàn)圖13。

RTD

P12、P13連接器用于RTD輸入。硬件可以支持1000 和100 鉑RTD輸入。對(duì)于3線模式，兩條共用線連接至V1+和V1–，回路連接至Vm(見(jiàn)圖5)。下面的圖7所示為將3線RTD傳感器連接到通用型模擬輸入板的方法。RTD輸入的簡(jiǎn)化原理圖見(jiàn)圖14。

電壓和電流

P10連接器用于電壓和電流輸入連接。支持的差分輸入范圍為：0 V至5 V、0 V至10V、±5V、±10V、0 mA至20 mA、4 mA至20mA和±20 mA。在V1+和V1–之間連接電壓或電流輸入(見(jiàn)圖13)，盡管對(duì)于電流輸入，同時(shí)還要把V1+和I1引腳短接在一起，結(jié)果連接一個(gè)249 Ω精密電流檢測(cè)電阻，其精度為0.1%，額定值為0.25 W。

熱電偶

P11連接器用于熱電偶輸入?？梢赃B接多種熱電偶類型，包括J、K、T和S。熱電偶連接于V+和V-輸入之間(圖8)。下面的圖9所示為將熱電偶(此例為T型)連接到通用型模擬輸入板的方法。

RTD

P11連接器也用于RTD輸入。硬件可以支持1000 和100 鉑RTD輸入。對(duì)于3線模式，兩條共用線連接至V+和V–，回路連接至Vm(見(jiàn)圖8)。下面的圖10所示為將3線RTD傳感器連接到通用型模擬輸入板的方法。

軟件說(shuō)明

通用模擬輸入板附帶一張CD光盤，其中含有用Labview設(shè)計(jì)的評(píng)估軟件?？蓪⒃撥浖惭b到裝有Windows XP (SP2)、Vista(32位或64位)或Windows 7(32位或64位)的標(biāo)準(zhǔn)PC上。要使用評(píng)估軟件，需要SDP-B(系統(tǒng)演示平臺(tái)B版)。

在評(píng)估軟件運(yùn)行時(shí)，來(lái)自板載EEPROM的優(yōu)化默認(rèn)配置以及校準(zhǔn)參數(shù)將加載到軟件中。評(píng)估軟件允許用戶通過(guò)通用模擬輸入板采集數(shù)據(jù)，可以對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也可將其保存到文件中。分析結(jié)果以坐標(biāo)圖和數(shù)字格式顯示在屏幕上。用戶可以設(shè)置自己的配置和校準(zhǔn)值，將其保存到板載EEPROM中，軟件會(huì)記錄配置并在下次運(yùn)行時(shí)自動(dòng)上傳。

軟件安裝

1. 插入CD光盤(或者從以下網(wǎng)址下載軟件安裝包：ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0325/)

2. 在CD或下載的文件中找到Setup.exe文件。雙擊該文件，啟動(dòng)安裝程序。

3. 按照屏幕指示操作，完成安裝。

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)和SDP板。安裝完成后，

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

2. 將EVAL-CN0325-SDPZ評(píng)估板連接至兩個(gè)SDP連接器之一。

1. 打開(kāi)EVAL-CN0325-SDPZ(確保按“硬件”部分的要求正確設(shè)置跳線)

2. 啟動(dòng)EVAL-CN0325-SDPZ軟件(“CN0325.exe”)，然后確認(rèn)出現(xiàn)的所有對(duì)話框。這樣就完成了安裝。

使用軟件

軟件主面板如圖16所示。硬件通過(guò)Configuration(配置)選項(xiàng)卡進(jìn)行配置，該選項(xiàng)卡分為三個(gè)子選項(xiàng)卡，分別處理不同的功能。Acquisition Result(采集結(jié)果)選項(xiàng)卡顯示來(lái)自ADC的所有數(shù)據(jù)，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成相關(guān)單位。Calibration(校準(zhǔn))選項(xiàng)卡允許用戶對(duì)任何范圍進(jìn)行校準(zhǔn)。有關(guān)已連接SDP板和軟件的詳情可在S/W Version Info(軟件版本信息)選項(xiàng)卡中找到。

圖16. 評(píng)估軟件主面板。

主窗口按鈕

Connect to SDP(連接至SDP)：?jiǎn)螕粼O(shè)置SDP板和評(píng)估板之間的連接。

Disconnect to SDP(斷開(kāi)與SDP的連接)：?jiǎn)螕魯嚅_(kāi)SDP板與評(píng)估板之間的連接。

Single Capture(單次捕獲)：?jiǎn)螕魡?dòng)單次捕獲。

Start (Stop) Acquisition(開(kāi)始(停止)采集)：?jiǎn)螕糸_(kāi)始(停止)連續(xù)捕獲。

Save Data(保存數(shù)據(jù))：將軟件中顯示的數(shù)據(jù)保存至文件，以便進(jìn)一步分析使用。

Quit(退出)：退出應(yīng)用程序。

Configuration(配置)選項(xiàng)卡

Hardware Configuration(硬件配置)子選項(xiàng)卡

Hardware Configuration(硬件配置)子選項(xiàng)卡上的圖片(見(jiàn)圖17)展示的是所選輸入的正確跳線設(shè)置方法和接線方法。為確保結(jié)果的正確性，硬件上的跳線設(shè)置應(yīng)與圖片相同。不同的輸入選項(xiàng)列于下方：

Circuit Type(電路類型)：有兩個(gè)完全隔離式通用模擬輸入電路可供選擇。“Type1- 6TB”：成本最低的解決方案，帶6引腳傳感器和信號(hào)連接端子;或者“Type2- 4TB”：一種更加緊湊的解決方案，只帶4引腳傳感器和信號(hào)連接端子。

Input Signal Type(輸入信號(hào)類型)：評(píng)估板可以轉(zhuǎn)換多類信號(hào)，包括電壓、電流、熱電偶和RTD。一旦選定，就必須選擇所需范圍的熱電偶/RTD類型。

Capture Mode(捕獲模式)：設(shè)置數(shù)據(jù)捕獲方法。要么是單次捕獲模式，即只捕獲指定數(shù)量的采樣。要么是連續(xù)捕獲模式，即將連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)，直到用戶停止采集為止。

AD7795配置子選項(xiàng)卡

對(duì)于在硬件配置選項(xiàng)卡中選擇的每一類輸入信號(hào)范圍，都會(huì)有相應(yīng)的默認(rèn)配置加載到通用模擬輸入板中。本AD7795配置選項(xiàng)卡(見(jiàn)圖17)支持更高級(jí)的配置，并且具有較大的靈活性，能夠以不同于默認(rèn)值的配置對(duì)板進(jìn)行評(píng)估。

該選項(xiàng)卡的使用要求掌握具體的AD7795寄存器、功能和硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)。配置不正確可能導(dǎo)致采集或運(yùn)行錯(cuò)誤。按鈕Recover All (Current) range to Default(將全部(當(dāng)前)范圍恢復(fù)為默認(rèn)值)用于恢復(fù)所選范圍的默認(rèn)配置。

圖17. AD7795配置頁(yè)。

ADT7310配置子選項(xiàng)卡

有一個(gè)板載溫度傳感器芯片ADT7310，在熱電偶測(cè)量過(guò)程中，該芯片靠近端子板，以實(shí)現(xiàn)冷結(jié)補(bǔ)償。一般情況下，會(huì)將默認(rèn)配置加載到通用模擬輸入板中。本ADT7310配置選項(xiàng)卡(見(jiàn)圖18)支持更高級(jí)的配置，并且具有較大的靈活性，能夠以不同于默認(rèn)值的配置對(duì)板進(jìn)行評(píng)估。該選項(xiàng)卡的使用要求掌握具體的ADT7310寄存器、功能和硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)。

圖18. ADT7310配置頁(yè)。

Acquisition Result(采集結(jié)果)選項(xiàng)卡

Converted Result(轉(zhuǎn)換結(jié)果)子選項(xiàng)卡

基于來(lái)自數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的RAW數(shù)據(jù)以及通道配置和校準(zhǔn)值，將結(jié)果轉(zhuǎn)換成相關(guān)的單位。數(shù)據(jù)以波形圖顯示在該子選項(xiàng)卡中(見(jiàn)圖19)。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提供采樣數(shù)、均值、最小值、最大值、rms和峰峰值噪聲以及rms和峰峰值分辨率。

圖19. 采集結(jié)果選項(xiàng)卡，轉(zhuǎn)換結(jié)果子選項(xiàng)卡

ADC RAW Data(ADC RAW數(shù)據(jù))子選項(xiàng)卡

直接從ADC讀取的采集數(shù)據(jù)以波形圖顯示在該子選項(xiàng)卡中。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提供采樣數(shù)、均值、最小值、最大值、rms和峰峰值噪聲以及rms和峰峰值分辨率。

Histogram(直方圖)子選項(xiàng)卡

直方圖選項(xiàng)卡(見(jiàn)圖20)清楚地顯示了已捕獲的RAW ADC數(shù)據(jù)的分布情況。該圖表可以用來(lái)評(píng)估噪聲和采集穩(wěn)定性。

圖20. 采集結(jié)果選項(xiàng)卡，直方圖子選項(xiàng)卡

Calibration(校準(zhǔn))選項(xiàng)卡

該軟件同時(shí)為每一種輸入信號(hào)和傳感器類型提供了獨(dú)立的校準(zhǔn)參數(shù)。這樣，用戶就可以準(zhǔn)確地校準(zhǔn)系統(tǒng)失調(diào)和增益，以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高直流精度(見(jiàn)圖21)。校準(zhǔn)參數(shù)可以存儲(chǔ)到板載EEPROM中，以便以后使用。完整的校準(zhǔn)同時(shí)要求進(jìn)行零電平校準(zhǔn)和滿量程校準(zhǔn)。

圖21. 校準(zhǔn)頁(yè)。

以下步驟將確保校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

1. 選擇要校準(zhǔn)的輸入范圍

2. 應(yīng)用Zeroscale Value(零電平值)中指定的正確輸入信號(hào)，單擊按鈕Zero Calibrate(零校準(zhǔn))。按提示操作，完成零電平校準(zhǔn)。

3. 應(yīng)用Fullscale Value(滿量程值)中指定的正確輸入信號(hào)，單擊按鈕Zero Calibrate(零校準(zhǔn))。按提示操作，完成滿量程校準(zhǔn)。

4. 單擊按鈕Save into EEPROM(保存至EEPROM)

校準(zhǔn)參數(shù)將存入ADC的內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器。只有當(dāng)用戶單擊按鈕保存至EEPROM時(shí)，新的校準(zhǔn)值才會(huì)永久性地保存至EEPROM，并在下次選擇該范圍時(shí)加載。

工廠默認(rèn)校準(zhǔn)值的副本存儲(chǔ)在板載EEPROM中。單擊Recover to Default(恢復(fù)默認(rèn)值)按鈕，所有校準(zhǔn)值將恢復(fù)至工廠默認(rèn)值。

軟件版本信息選項(xiàng)卡

圖22展示的是軟件版本信息選項(xiàng)卡的圖片。該選項(xiàng)卡提供有關(guān)已連接SDP板的信息。

單擊Flash LED(閃爍LED)按鈕，結(jié)果將使SDP上的LED燈閃爍，同時(shí)表示SDP與評(píng)估板之間已成功建立連接。

單擊Read Firmware(讀取固件)按鈕，結(jié)果將讀取SDP平臺(tái)上的當(dāng)前代碼信息。

圖22. 軟件版本信息選項(xiàng)卡

每個(gè)參數(shù)的意義列出如下：

Major Rev(重大修訂號(hào))：重大代碼修訂編號(hào)

Minor Rev(微小修訂號(hào))：微小代碼修訂編號(hào)

HostCode Rev(主機(jī)代碼修訂號(hào))：用于開(kāi)發(fā)固件的主機(jī)代碼的版本號(hào)

BlackFinCode Rev(BlackFin代碼修訂號(hào))：固件的BlackFin代碼修訂編號(hào)

Date(日期)：代碼編譯日期

Time(時(shí)間)：代碼編譯時(shí)間