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靈活、高精度、低漂移的PLC/DCS模擬輸出模塊電路圖

作者: 時(shí)間:2017-10-31 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  電路功能與優(yōu)勢

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/369767.htm

  圖1所示電路是一種全功能、高壓(最高44 V)、靈活、可編程的解決方案,它滿足可編程邏輯控制器()和分布式控制系統(tǒng)()應(yīng)用的大部分要求。

  AD5662 是一款低功耗(0.75 mW @ 5 V)、軌到軌輸出、16位nanoDAC®器件,AD5751 是一款工業(yè)電流/電壓輸出驅(qū)動(dòng)器,二者的輸入和輸出電壓范圍以及基準(zhǔn)電壓要求完全一致。

  ADR444是一款低漂移(B級(jí)最大值為3 ppm/°C)、高初始精度(B級(jí)最大值為0.04%)、低噪聲(典型值1.8 μV p-p,0.1 Hz至10 Hz)基準(zhǔn)電壓源,為AD5751和AD5662提供基準(zhǔn)電壓,保證電路具有超低噪聲、高精度、低溫漂特性。該電路提供所有典型的電流和電壓輸出范圍、 16位分辨率且無失碼、0.05%的線性度以及小于0.2%的總輸出誤差。

  ADuM1301 和ADuM5401在微控制器與模擬信號(hào)鏈之間提供所需的全部信號(hào)隔離。ADuM5401 還提供5 V隔離電源。該電路還具有一些支持工業(yè)應(yīng)用的重要特性,如片內(nèi)輸出故障檢測、用于防止分組錯(cuò)誤(PEC)的CRC校驗(yàn)以及靈活的上電選項(xiàng)等,非常適合構(gòu)建魯棒的工業(yè)控制系統(tǒng)。在大批量生產(chǎn)中,它無需外部精密電阻或校準(zhǔn)程序就能保持一致的性能,因而是模塊的理想選擇。

  

  圖1. 針對(duì)單通道的基本電路(原理示意圖,未顯示所有連接和保護(hù)電路)

  電路描述

  AD5751是一款單通道、低成本、精密電壓/電流輸出驅(qū)動(dòng)器,設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的需要。AD5751的工作電壓范圍是10.8 V至55 V,電壓輸出可以高達(dá)44 V。電壓輸出范圍可以編程為應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)輸出范圍及20%超范圍設(shè)置:0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至6 V、0 V至12 V。此外還提供兩種高壓輸出范圍:0 V至40 V和0 V至44 V。

  電流輸出通過單獨(dú)的引腳提供,可以編程為以下標(biāo)準(zhǔn)范圍:4 mA至20 mA、0 mA至20 mA、0 mA至24 mA。此外還有2%超范圍設(shè)置,提供3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA。如果需要,可以將電壓和電流輸出引腳連在一起,以便將終端系統(tǒng)配置為單通道輸出。

  AD5662是一款單通道、低成本、低功耗、軌到軌電壓緩沖輸出 nanoDAC 器件。在0.75 V至VDD電源電壓的寬基準(zhǔn)電壓范圍內(nèi),AD5662保證±1 LSB的DNL。在圖1所示電路中,AD5751和AD5662采用ADR444提供的4.096 V公共基準(zhǔn)源工作。整個(gè)系統(tǒng)都能受益于ADR444的超低噪聲和低溫漂特性。ADR44x系列基準(zhǔn)源可以流出和流入電流,因此非常適合驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)電壓或電源輸入。AD5662還內(nèi)置一個(gè)上電復(fù)位電路,確保DAC輸出上電至中間電平或0 V并保持該電平,直到執(zhí)行一次有效的寫操作為止。

  ADuM1301是一款三通道數(shù)字隔離器。ADuM5401是一款四通道數(shù)字隔離器,集成isoPower®隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。它們均基于 iCoupler® 技術(shù),用來在信號(hào)鏈與系統(tǒng)微控制器之間實(shí)現(xiàn)隔離,隔離額定值為2.5 kV rms。ADuM5401為副邊的所有電路提供5 V隔離電源。

  數(shù)字電源與模擬電源應(yīng)分離,通過鐵氧體磁珠連接。各電源引腳通過并聯(lián)的10 μF電容和0.1 nF陶瓷電容進(jìn)行去耦。更多信息請(qǐng)參見CN0204設(shè)計(jì)支持包 中的原理圖。

  用于PLC和DCS應(yīng)用的器件所需的ESD保護(hù)和過壓保護(hù)一般遠(yuǎn)高于形式上的推薦要求。AD5751的各引腳內(nèi)置ESD保護(hù)二極管,可以防止瞬變損害器件。但是,工業(yè)控制環(huán)境可能會(huì)使I/O電路遭受高得多的瞬變。EVAL-CN0204-SDPZ電路板內(nèi)置外部64 V/1500 W瞬變電壓抑制器(TVS)、50 mA/30 V自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(PolySwitch)和肖特基功率二極管,以提供更高電壓的ESD保護(hù)、50 mA過流保護(hù)和64 V過壓保護(hù)。圖1的原理示意圖未顯示可選的外部保護(hù)電路,但可以在CN0204設(shè)計(jì)支持包的詳細(xì)原理圖(EVAL-CN0204-SDPZ-SCH pdf文件)中找到: www.analog.com/CN0204-DesignSupport

  本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能,必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)(請(qǐng)參考指南MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)” 以及 指南MT-101——“去耦技術(shù)”)。

  測量

  對(duì)于PLC、DCS和其它過程控制系統(tǒng),積分非線性(INL)、微分非線性(DNL)和輸出誤差是最重要的性能指標(biāo)。AD5751具有非常靈活并且可配置的輸出范圍,可以滿足應(yīng)用需要。該電路的INL、DNL和輸出誤差測量結(jié)果分別如圖2、圖3和圖4所示。測量條件為25°C、電壓輸出模式并且使用內(nèi)部電流檢測電阻。AD5751范圍設(shè)置為0 V至5 V。所有其它范圍的測試結(jié)果如表1所列。

  表1所示測試結(jié)果是在25°C下使用EVAL-CN0204-SDPZ電路板和Agilent E3631A直流電源,利用Agilent 34401A數(shù)字萬用表測得的。

  注意,客戶需要調(diào)整輸出范圍0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA,以便與0 mA至20 mA和0 mA至24 mA范圍完全匹配。0 mA至20.4 mA范圍下的1.70% FSR輸出誤差包括增益誤差,增益誤差可以由客戶通過校準(zhǔn)消除。

  

  圖2. 0 V至5 V輸出范圍的INL

  

  

  圖3. 0 V至5 V輸出范圍的DNL

  

  圖4. 0 V至5 V輸出范圍的輸出誤差

  常見變化

  本電路顯示了一系列驅(qū)動(dòng)器和DAC產(chǎn)品的一種實(shí)施方案,可以從該系列選擇其它器件以實(shí)現(xiàn)所需的性能。12位到16位分辨率和0.1%精度是PLC和DCS應(yīng)用的典型要求。針對(duì)不需要16位分辨率的應(yīng)用,可以使用 AD5620 (12位)和 AD5640 (14位),它們還內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源。

  AD5623R (12位)、 AD5643R (14位)和 AD5663R (16位)是雙通道nanoDAC器件,AD5624R (12位)、AD5644R (14位)和AD5664R (16位)是四通道nanoDAC器件,均適合多通道應(yīng)用。

  AD5750-1 和 AD5750 均為雙極性驅(qū)動(dòng)器,可以提供±10 V和±20 mA。



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