用于I/O卡和PLC應(yīng)用的4通道、靈活、可配置、電壓和電流輸出電路

作者：時(shí)間：2013-07-28 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一種僅使用兩個(gè)模擬器件的多通道、靈活的模擬輸出解決方案，它滿足多通道I/O卡、可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用的大部分要求。具有軌到軌緩沖輸出的四通道、16位nanoDAC+ AD5686R 配合四個(gè)工業(yè)電流/電壓輸出驅(qū)動(dòng)器 AD5750-2 使用，可提供所有典型的電流和電壓范圍的輸出，其具有16位分辨率且無(wú)失碼、0.05%的線性度以及小于0.1%的輸出誤差。

AD5686R集成了一個(gè)具有高驅(qū)動(dòng)能力（最高±5 mA）、超低漂移（2 ppm/°C，典型值）的2.5 V基準(zhǔn)電壓源，能夠同時(shí)為AD5686R和AD5750-2提供基準(zhǔn)電壓，確保電路的低噪聲、高精度、低溫漂。

ADuM1301 和 ADuM5400 對(duì)電源和模擬信號(hào)鏈與主控制器之間的所有必要信號(hào)提供2500 V rms隔離。

對(duì)于需要4個(gè)以上通道的多通道I/O卡應(yīng)用，多個(gè)AD5686R可以菊花鏈形式連接，且不需要額外的外部數(shù)字I/O電路。這樣使成本降到最低限度，特別是對(duì)于高通道數(shù)隔離應(yīng)用。

該電路還具有一些針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵特性，如片內(nèi)輸出故障檢測(cè)、通過(guò)CRC執(zhí)行分組差錯(cuò)檢驗(yàn)(PEC)、靈活的上電選項(xiàng)和ESD保護(hù)（AD5686R為4 kV，人體模型，AD5750-2為3 kV，人體模型），非常適合構(gòu)建魯棒工業(yè)控制系統(tǒng)。在大批量生產(chǎn)中，它無(wú)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PLC或DCS模塊的理想選擇。

圖1. 模擬輸出電路的原理示意圖（未顯示所有連接和保護(hù)電路）

電路描述

AD5750/AD5750-1/AD5750-2是單通道、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(guò)程控制應(yīng)用的需要。輸出電壓范圍可以針對(duì)PLC和DCS應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)輸出范圍進(jìn)行編程：0 V至5 V、0 V至10 V、?5 V至+5 V和?10 V至+10 V。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，還提供了20%的超范圍設(shè)置，由此便可得到下列選項(xiàng)：0 V至+6 V、0 V至+12 V、-6 V至+6 V和-12 V至+12 V。

電流輸出通過(guò)單獨(dú)的引腳提供，可以編程為以下范圍：+4 mA至+20 mA、0 mA至+20 mA、?20 mA至+20 mA、0 mA至+24 mA和?24 mA至+24 mA。單極性范圍具有2%的超范圍設(shè)置。

由于AD5750/AD5750-1/AD5750-2的電流輸出既可以是源電流，也可以是吸電流，因此它能與廣泛的傳感器或執(zhí)行器接口。如果需要，可以將電壓和電流輸出引腳連接在一起，以便將系統(tǒng)配置為單通道輸出。

一般而言，電流輸出電路需要至少一個(gè)精密電阻，用于電流檢測(cè)。電路的電流精度和溫度漂移特性部分取決于電阻和基準(zhǔn)電壓。AD5750/AD5750-1/AD5750-2集成了高精度、低漂移電阻，如果需要還可以使用外部電阻。要提高輸出電流在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，方法之一是在AD5750/AD5750-1/AD5750-2的REXT1和REXT2引腳連接一個(gè)外部低漂移電阻來(lái)替代內(nèi)部電阻。外部電阻通過(guò)輸入移位寄存器進(jìn)行選擇。如果不使用外部電阻選項(xiàng)，REXT1和REXT2引腳應(yīng)保持懸空。

AD5686R是一款四通道、16位、軌到軌電壓緩沖輸出nanoDAC+，片內(nèi)集成一個(gè)典型值為2 ppm/°C（最大值為5 ppm/°C）的2.5 V基準(zhǔn)電壓源。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源可驅(qū)動(dòng)所有四個(gè)AD5750-2的基準(zhǔn)輸入，具有0.05 Ω的低輸出阻抗，源電流和吸電流最高可達(dá)5 mA。AD5686R內(nèi)置一個(gè)上電復(fù)位電路，確保DAC輸出上電至0 V并保持該電平，直到執(zhí)行一次有效的寫操作為止。

AD5686R DAC與AD5750-2驅(qū)動(dòng)器之間的接口簡(jiǎn)單，無(wú)需外部基準(zhǔn)電壓源或精密電阻。AD5686R的輸出電壓范圍是0 V到2.5 V，與AD5750-2的輸入范圍匹配。此外，AD5686R的基準(zhǔn)輸出電壓為2.5 V，與AD5750-2的基準(zhǔn)輸入要求完全匹配。

ADuM1301是一款三通道數(shù)字隔離器。ADuM5400是一款四通道數(shù)字隔離器，集成了一個(gè)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。它們均基于iCoupler?技術(shù)，用來(lái)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。ADuM5400為副邊的5 V電路提供5 V隔離電源。

用于PLC和DCS應(yīng)用的器件所需的ESD保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)一般遠(yuǎn)高于通常的推薦要求。AD5686R和AD5750-2的各引腳內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，可以防止4 kV (AD5686R)和3 kV (AD5750-2)電壓瞬變（人體模型）損害器件。但是，工業(yè)控制環(huán)境可能會(huì)使I/O電路遭受高得多的電壓瞬變。

使用外部54 V、600 W瞬變電壓抑制器(TVS)作為增強(qiáng)ESD保護(hù)的第一級(jí)。在AD5750-2的VSENSE+和VSENSE?引腳上放置一個(gè)串聯(lián)1 kΩ、0.5 W電阻的肖特基功率二極管，在VOUT和IOUT引腳上放置50 mA、30 V自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。這些保護(hù)電路置于 EVAL-CN0229-SDPZ 電路板中，以提供50 V過(guò)壓保護(hù)和50 mA過(guò)流保護(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CN0229設(shè)計(jì)支持包的詳細(xì)原理圖(EVAL-CN0229-SDPZ-PADSSchematic pdf文件) 中找到。

本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板(PCB)上。為實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能和低EMI，請(qǐng)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(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán) 以及指南MT-101——去耦技術(shù)）。

測(cè)量
對(duì)于PLC、DCS和其它過(guò)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)。AD5750-2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(cè)量結(jié)果分別如圖2、圖3和圖4所示。數(shù)據(jù)是在25°C時(shí)在電壓輸出模式下獲得的。AD5750-2范圍設(shè)置為0 V至5 V。所有其它范圍的測(cè)試結(jié)果如表1所列。