靈活、高精度、低漂移的PLC/DCS模擬輸出模塊

電路功能與優(yōu)勢(shì)

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

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(wú)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(cè)、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(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. 針對(duì)單通道的基本模擬輸出電路(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(guò)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PLC和DCS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(guò)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(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。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(guò)鐵氧體磁珠連接。各電源引腳通過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)流保護(hù)和64 V過(guò)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(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)。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(cè)量結(jié)果分別如圖2、圖3和圖4所示。測(cè)量條件為25°C、電壓輸出模式并且使用內(nèi)部電流檢測(cè)電阻。AD5751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。

表1所示測(cè)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(wàn)用表測(cè)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(guò)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