CN0179

4-20 mA低功耗、14位、过程控制电流环路发送器
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电路功能与优势

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图1所示电路是一个4 mA至20 mA电流环路发送器,用于过程控制系统与其执行器之间的通信。除具有高性价比外,此电路还是业界功耗最低的解决方案。4 mA至20 mA电流环路广泛用于采用数字或模拟输入输出的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。电流环路接口之所以颇受青睐,是因为它能以高性价比方式进行长距离抗扰数据传输。低功耗双通道运算放大器AD8657 、DACAD5621和基准电压源ADR125 的组合,可以为微控制器和数字隔离器等更高功耗器件提供更多功耗预算。此电路输出电流为0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范围一般对应表示DAC或微控制器的输入控制范围,0 mA至4 mA的输出电流范围则常用于诊断故障条件。

 


12位、5 V AD5621需要75 μA的电源电流(典型值)。AD8657是一款轨到轨输入/输出双通道运算放大器,而且是目前业界功耗最低的放大器之一(在整个电源电压和输入共模范围内,其耗电流为22 μA),工作电压最高可达18 V。ADR125是精密微功耗5 V带隙基准电压源,仅需要95 μA电源电流。这三个器件总共消耗192 μA的电源电流(典型值)。



图1. 低功耗4 mA至20 mA过程控制电流环路(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

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对于工业和过程控制模块,4 mA至20 mA电流环路发送器用作控制单元与执行器之间的通信手段。12位DAC AD5621位于控制单元,根据输入代码产生0 V至5 V之间的输出电压VDAC。代码通过SPI接口设置。输入代码与输出电压之间的理想关系可用下式表示: equation

 

其中:

 VREF为ADR125的输出电压和AD5621的电源电压。
D是载入AD5621的二进制代码的十进制等效值。

DAC输出电压设置流过检测电阻RSENSE的电流:

equation

 

流过RSENSE 的电流作为VDAC 的函数在0 mA至2 mA范围内变化。此电流会在R1两端产生一个电压,并设置AD8657放大器(A2)的同相输入端电压。A2 AD8657使环路闭合,并将反相输入端电压拉至与同相输入端相同的电压。因此,流过R1的电流以10倍的系数镜像到R2。这可以通过公式3表示:

equation

 

VDAC 的范围为0 V至5 V,因此该电路产生的电流输出范围为0 mA至20 mA。

AD5621是一款12位DAC,属于 nanoDAC 系列,采用基准电压源ADR125的5 V输出电压工作。它有一个片内精密输出缓冲器,该缓冲器能够提供轨到轨输出摆幅,因此其动态输出范围非常高。电源电压为5 V时,AD5621消耗的电源电流为75 μA(典型值)。

此外,本电路解决方案需要一个轨到轨输入放大器。双通道运算放大器AD8657是绝佳选择,具有低功耗和轨到轨特性。在额定电源电压和输入共模电压范围内,该运算放大器的工作电源电流为22 μA(典型值)。它还提供出色的单位电流噪声和带宽性能。AD8657是功耗最低的放大器之一,工作电源电压最高可达18 V。

ADR125是一款精密、微功耗、低压差(LDO)基准电压源。输入电压为18 V时,静态电流仅95 μA(典型值)。之所以首选LDO基准电压源,是因为它能使从控制单元到执行器的环路电线承受更多压降。为了保持稳定,ADR125的输出端需要一个0.1 μF小电容。另外再并联一个0.1 μF至10 μF电容可以提高负载瞬态响应性能。虽然输入电容不是必需的,但建议使用。输入端可以串联一个1 μF至10 μF的电容,以改善电源电压突然变化时的瞬态响应性能。再并联一个0.1 μF电容同样有助于降低电源噪声。

还需要旁路电容(图1中未显示)。本例中,每个双通道运放的每个电源引脚上都应有一个10 μF钽电容与一个0.1 μF陶瓷电容并联。有关正确去耦技巧的详细说明,请参考教程 MT-101

该电路解决方案输出0 mA至20 mA的电流。图2显示在250 Ω负载电阻中测得的电路输出电流。图3所示为输出电流误差图。



图2. 0 mA至20 mA输出电流

 




图3. 输出电流误差图

常见变化

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对于14位或16位分辨率的解决方案,请考虑采用AD5641 or AD5662,。16 V CMOS运算放大器ADA4665-2 是另一个选择,可以代替AD8657。它的性价比更高,电压噪声更低,但缺点是电源电流较高。

 

针对此类应用选择放大器时,务必确保不要超出输入共模电压和电源电压范围。

 

对于更高的电源电压,请考虑采用基准电压源ADR02 ,其工作电源电压最高可达36 V。

电路评估与测试

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This circuit uses the EVAL-CN0179-PMDZ circuit board, the EVAL-SDP-CB1Z system demonstration platform (SDP) evaluation board and the SDP-PMD-IB1Z, a Pmod interposer board for the EVAL-SDP-CB1Z. The SDP and the SDP-PMD-IB1Z boards have 120-pin mating connectors, allowing the quick setup and evaluation of the circuit’s performance. In order to evaluate the EVAL-CN0179-PMDZ board using the SDP-PMD-IB1Z and the SDP, the EVAL-CN0179-PMDZ is connected to the SDP-PMD-IB1Z by a standard 100 mil-spaced, 25 mil square, right angle 12 pin-Pmod header connector.

 

Information and details regarding how to use the evaluation software for data capturing and proper hardware installation can be found in the CN0179 Software User Guide.

Equipment Required

  • PC with a USB port and Windows® XP, Windows® Vista (32-bit), or Windows® 7 (32-bit)
  • EVAL-CN0179-PMDZ circuit evaluation board
  • EVAL-SDP-CB1Z SDP evaluation board
  • SDP-PMD-IB1Z
  • CN0179 evaluation software
  • Agilent E36311A dual dc power supply or equivalent
  • Agilent 3458A multimeter or equivalent
  • +6 V wall wart
  • A GPIB-to-USB cable adapter (only required for capturing analog data from the output and transferring it to the PC)

 

Information and details regarding how to use the evaluation software for data capturing and proper hardware installation can be found in the CN0179 Software User Guide. Test Setup and Measurements

The circuit was tested using the test setup in Figure 5. A photograph of the board is shown in Figure 6.

A jumper should not be connected to the J1 terminals when driving an external current loop. The jumper connects the internal 250 Ω load and should be used when making voltage measurements.



Figure 5. Functional Diagram of Test Setup

 




Figure 6. Photo of EVAL-CN0179-PMDZ Board

样片申请及购买

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样片

产品

描述

可提供样片的
产品型号

ADR125 采用TSOT封装的微功耗、LDO精密基准电压源(5.0 V输出)

联络ADI

AD8657 18V、22µA、45NV/√HZ、精密、RRIO、双通道运算放大器

AD8657ACPZ-R7

AD8657ARMZ

AD5621 2.7V至5.5V、小于100 µA、12位nanoDAC®,SPI接口,采用LFCSP和SC70封装

AD5621ACPZ-RL7

AD5621AKSZ-500RL7

AD5621AKSZ-REEL7

AD5621BKSZ-500RL7

购买评估板 所示报价为单片价格
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。