CN0229

用于I/O卡和PLC应用的4通道、灵活、可配置、电压和电流输出电路
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电路功能与优势

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图1所示电路是一种仅使用两个模拟器件的多通道、灵活的模拟输出解决方案,它满足多通道I/O卡、可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)应用的大部分要求。具有轨到轨缓冲输出的四通道、16位nanoDAC+ AD5686R 配合四个工业电流/电压输出驱动器 AD5750-2 使用,可提供所有典型的电流和电压范围的输出,其具有16位分辨率且无失码、0.05%的线性度以及小于0.1%的输出误差。

 

AD5686R集成了一个具有高驱动能力(最高±5 mA)、超低漂移(2 ppm/°C,典型值)的2.5 V基准电压源,能够同时为AD5686R和AD5750-2提供基准电压,确保电路的低噪声、高精度、低温漂。

 

ADuM1301 ADuM5400 对电源和模拟信号链与主控制器之间的所有必要信号提供2500 V rms隔离。

对于需要4个以上通道的多通道I/O卡应用,多个AD5686R可以菊花链形式连接,且不需要额外的外部数字I/O电路。这样使成本降到最低限度,特别是对于高通道数隔离应用。

该电路还具有一些针对工业应用的关键特性,如片内输出故障检测、通过CRC执行分组差错检验(PEC)、灵活的上电选项和ESD保护(AD5686R为4 kV,人体模型,AD5750-2为3 kV,人体模型),非常适合构建鲁棒工业控制系统。在大批量生产中,它无需外部精密电阻或校准程序就能保持一致的性能,因而是PLC或DCS模块的理想选择。



图1. 模拟输出电路的原理示意图(未显示所有连接和保护电路)

电路描述

X+

AD5750/AD5750-1/AD5750-2是单通道、低成本、精密电压/电流输出驱动器,设计用于满足工业过程控制应用的需要。输出电压范围可以针对PLC和DCS应用的标准输出范围进行编程:0 V至5 V、0 V至10 V、−5 V至+5 V和−10 V至+10 V。针对标准范围,还提供了20%的超范围设置,由此便可得到下列选项:0 V至+6 V、0 V至+12 V、-6 V至+6 V和-12 V至+12 V。

 

电流输出通过单独的引脚提供,可以编程为以下范围:+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。单极性范围具有2%的超范围设置。

 

由于AD5750/AD5750-1/AD5750-2的电流输出既可以是源电流,也可以是吸电流,因此它能与广泛的传感器或执行器接口。如果需要,可以将电压和电流输出引脚连接在一起,以便将系统配置为单通道输出。

 

一般而言,电流输出电路需要至少一个精密电阻,用于电流检测。电路的电流精度和温度漂移特性部分取决于电阻和基准电压。AD5750/AD5750-1/AD5750-2集成了高精度、低漂移电阻,如果需要还可以使用外部电阻。要提高输出电流在全温度范围内的稳定性,方法之一是在AD5750/AD5750-1/AD5750-2的REXT1和REXT2引脚连接一个外部低漂移电阻来替代内部电阻。外部电阻通过输入移位寄存器进行选择。如果不使用外部电阻选项,REXT1和REXT2引脚应保持悬空。

 

AD5686R是一款四通道、16位、轨到轨电压缓冲输出nanoDAC+,片内集成一个典型值为2 ppm/°C(最大值为5 ppm/°C)的2.5 V基准电压源。片内基准电压源可驱动所有四个AD5750-2的基准输入,具有0.05 Ω的低输出阻抗,源电流和吸电流最高可达5 mA。AD5686R内置一个上电复位电路,确保DAC输出上电至0 V并保持该电平,直到执行一次有效的写操作为止。

AD5686R DAC与AD5750-2驱动器之间的接口简单,无需外部基准电压源或精密电阻。AD5686R的输出电压范围是0 V到2.5 V,与AD5750-2的输入范围匹配。此外,AD5686R的基准输出电压为2.5 V,与AD5750-2的基准输入要求完全匹配。

 

ADuM1301是一款三通道数字隔离器。ADuM5400是一款四通道数字隔离器,集成了一个隔离式DC/DC转换器。它们均基于iCoupler®技术,用来在信号链与系统微控制器之间实现隔离,隔离额定值为2.5 kV rms。ADuM5400为副边的5 V电路提供5 V隔离电源。

 

用于PLC和DCS应用的器件所需的ESD保护和过压保护一般远高于通常的推荐要求。AD5686R和AD5750-2的各引脚内置ESD保护二极管,可以防止4 kV (AD5686R)和3 kV (AD5750-2)电压瞬变(人体模型)损害器件。但是,工业控制环境可能会使I/O电路遭受高得多的电压瞬变。

使用外部54 V、600 W瞬变电压抑制器(TVS)作为增强ESD保护的第一级。在AD5750-2的VSENSE+和VSENSE−引脚上放置一个串联1 kΩ、0.5 W电阻的肖特基功率二极管,在VOUT和IOUT引脚上放置50 mA、30 V自恢复保险丝。这些保护电路置于 EVAL-CN0229-SDPZ 电路板中,以提供50 V过压保护和50 mA过流保护。图1的原理示意图未显示可选的外部保护电路,但可以在CN0229设计支持包的详细原理图(EVAL-CN0229-SDPZ-PADSSchematic pdf文件) 中找到: http://www.analog.com/CN0229-DesignSupport


本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板(PCB)上。为实现最佳系统性能和低EMI,请采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考 指南MT-031——实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团 以及 指南MT-101——去耦技术)。

测量
对于PLC、DCS和其它过程控制系统,积分非线性(INL)、微分非线性(DNL)和输出误差是最重要的性能指标。AD5750-2具有非常灵活并且可配置的输出范围,可以满足应用需要。该电路的INL、DNL和输出误差测量结果分别如图2、图3和图4所示。数据是在25°C时在电压输出模式下获得的。AD5750-2范围设置为0 V至5 V。所有其它范围的测试结果如表1所列。



图2. 0 V至5 V输出范围的INL

 




图3. 0 V至5 V输出范围的DNL

 




图4. 0 V至5 V输出范围的输出误差

 

 

表1.所有输出范围的测试结果
范围  电流检测电阻
INL(LSB)  线性度(%FSR) 输出误差(%FSR)
 0V to +5V
 无关
 1.3  0.002  0.01
 0V to +10V
 无关  1.1  0.002  0.02
 -5V to +5V
 无关  1.4  0.002  0.02
 -10V to +10V
 无关  1.2  0.002  0.02
 0V to +6V
 无关  1.9  0.003  0.02
 0V to +12V
 无关  1.4  0.002  0.05
 -6V to +6V
 无关  1.3  0.002  0.03
 -12V to +12V
 无关  1.7  0.003  0.05
 -2.5V to +2.5V  无关  1.3  0.002  0.03
 +4mA to +20mA
 内部  5.3  0.008  0.07
 0mA to +20mA  内部  4.2  0.006  0.06
 0mA to +24mA  内部  2.9  0.004  0.05
 -20mA to +20mA  内部  5.4  0.008  0.02
 -24mA to +24mA  内部  3.9  0.006  0.02
 +4mA to +20mA  外部  2.0  0.003  0.04
 0mA to +20mA  外部  1.7  0.003  0.04
 0mA to +24mA  外部  1.6  0.002  0.04
 -20mA to +20mA  外部  3.7  0.006  0.03
 -24mA to +24mA  外部  4.4  0.007  0.03
 +3.92mA to +20.4mA  内部  1.7  0.014  0.11
 0mA to +20.4mA  内部  2.9  0.006  1.86
 0mA to +24.5mA  内部  2.5  0.005  0.30

 

表1所示测试结果是在25°C下使用EVAL-CN0229-SDPZ电路板的第一通道得到的,使用Agilent E3631A直流电源供电,利用Agilent 34401A数字万用表测得的。

 

注意,客户需要调整输出范围3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA,以便与4 mA至20 mA、0 mA至20 mA和0 mA至24 mA范围完全匹配。0 mA至20.4 mA范围下的1.86% FSR输出误差包括增益误差,增益误差由客户通过校准轻松消除。

 

以GND为参考,有一个约10 mV的低死区。所有线性测试结果使用一个缩减的数据范围256到65,535计算。对于3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA,低死区大于其他标准范围,被测量数据范围1000到65,535。


常见变化

X+

AD5685R (14位)和AD5684R (12位)与AD5686R引脚兼容,适合不需要16位分辨率的应用。

 

对于需要通道间隔离的应用,单通道DAC(例如16位的AD5660 、14位的AD5640 和12位的 AD5620 是较好的选择。

 

对于单通道应用,详情参见 CN-0202CN-0203CN-0204 电路笔记。

 

AD5623R (12位)、AD5643R(14位)和AD5663R(16位)是双通道nanoDAC,AD5624R (12位)、AD5644R (14位)和AD5664R (16位)是四通道nanoDAC器件,均适合多通道应用。AD5628/ AD5648/AD5668 是八通道12/14/16位SPI电压输出denseDAC,片内集成5 ppm/°C基准电压源。

 

AD5750AD5750-1 驱动器与AD5750-2引脚兼容。AD5750在4.096 V基准电压下可接受0 V至4.096 V的输入。AD5750-1在1.25 V基准电压下可接受0 V至2.5 V的输入。AD5751是单极性模拟输出驱动器,使用50 V AVDD电源时,可以提供40 V输出。

电路评估与测试

X+
设备要求(可以用同等设备代替)

  • 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)
  • CN-0229电路评估板 (EVAL-CN0229-SDPZ)
  • CN-0229评估软件
  • Agilent 34401A 6.5数字万用表
  • Agilent E3631A 0 V至~6 V/5 A ±25 V/1 A三路输出直流电源
  • 带USB接口的PC(Windows® 2000或Windows XP)
  • National Instruments GPIB转USB-B接口和连接线

 

开始使用

将CN-0229评估软件光盘放入PC的光盘驱动器,加载评估软件。打开My Computer(我的电脑),找到包含评估软件光盘的驱动器,打开Readme 文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

 


功能框图

图5所示为测试设置的功能框图。EVAL-CN0229-PADSSchematic pdf文件包含CN-0229评估板的详细电路原理图。此文件位于CN-0229设计支持包中:http://www.analog.com/CN0229-DesignSupport

 


设置

EVAL-CN0229-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上的CON A或CON B连接器。使用尼龙五金配件,通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。将直流输出电源成功设置为+15 V、−15 V和+6 V输出后,关闭电源。

 

在断电情况下,将一个+15 V电源连接到CN1的+15 V引脚,将一个−15 V电源连接到CN1的−15 V引脚,将GND连接到CN1的GND引脚。以同样方式将+6 V连接到CN2。接通电源,然后使用USB电缆连接SDP板和PC上的USB端口。注意:接通EVAL-CN0229-SDPZ的直流电源之前,请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。



图5. 测试设置功能框图

 

 

表2. EVAL-CN0229-SDPZ的跳线设置(以粗体字显示的值为默认设置)

 跳线¹  描述  设置 功能
 JPG1_[CH]

 VSENSE+设置 短路
 通道[CH]的VSENSE+与VOUT内部短接[CH]
开路  通道[CH]的VSENSE+与VOUT无内部连接。
 JPG2_[CH]  VSENSE-设置 短路  通道[CH]的VSENSE−与GND内部短接
开路  通道[CH]的VSENSE−与VOUT无内部连接
 JPG3_[CH]

 VOUT 和IOUT引脚短路

短路
 通道[CH]的VOUT和IOUT短接在一起
开路
 通道[CH]的VOUT和IOUT无内部连接
 JPG4_[CH]

 
设置外部补偿电容

短路
 为通道[CH]增加1 nF补偿电容
开路
 移除通道[CH]的1nF补偿电容

 

 

测试

设置好测试设备后,将CN3的VOUT引脚或CN4的IOUT引脚连接到Agilent 34401A的输入端。根据输入信号类型(电流或电压),确保Agilent 34401A前面板上的电缆连接正确。测试INL、DNL和输出误差需要相当长的时间,因为AD5686R 16位DAC的所有电平都需要由Agilent 34401A设置并测量。

 

利用CD中提供的软件,可以通过PC设置DAC代码。需要使用自动测试程序来步进式的测试各个代码并分析数据。CD中未提供此程序,但是必须由客户根据在测试设置中所用特定万用表的要求予以实现。

 

在图5所示的测试配置中,利用National Instruments GPIB转USB-B接口和电缆,Agilent 34401A万用表的GPIB输出与PC上的另一个USB端口相连接。这样就能将每个数据的对应的万用表读数载入到PC的Excel表格中。然后根据业界标准定义分析这些数据,以获得INL、DNL和输出误差。

 

欲详细了解参数定义以及如何从测量数据计算INL、DNL和输出误差,请参阅AD5686R数据手册的“术语”部分和以下文献:数据转换手册第5章“测试数据转换器”,ADI公司



样片申请及购买

X+

样片

产品

描述

可提供样片的
产品型号

ADUM1301 三通道数字隔离器

ADUM1301ARWZ

ADUM1301BRWZ

ADUM1301WSRWZ

ADUM1301WTRWZ

ADUM5400 集成DC/DC转换器的四通道隔离器(4/0通道方向性)

ADUM5400ARWZ

ADUM5400CRWZ

AD5686R 四通道、16位nanoDAC+™,内置2 PPM/°C片内基准电压源和SPI接口

AD5686RBCPZ-RL7

AD5686RBRUZ

AD5685R 四通道、14位 nanoDAC+ ,内置2 PPM/°C片内基准电压源和SPI接口

AD5685RBCPZ-RL7

AD5685RBRUZ

AD5684R 四通道、12位nanoDAC+ ,内置2 PPM/°C片内基准电压源和SPI接口

AD5684RARUZ

AD5684RBCPZ-RL7

AD5684RBRUZ

AD5750-2 电流/电压输出驱动器,输出范围可编程,适合工业应用

AD5750-2BCPZ

AD5686 内置SPI接口的四通道、16位nanoDAC+™

AD5686BCPZ-RL7

AD5686BRUZ

AD5684 内置SPI接口的四通道、12位nanoDAC+™

AD5684BCPZ-RL7

AD5684BRUZ

AD5683R 小型、16位 SPI nanoDAC+ ,配备±2(16位)LSB INL和2 ppm/°C 基准电压源

AD5683RACPZ-1RL7

AD5683RACPZ-2RL7

AD5683RACPZ-RL7

AD5683RARMZ

AD5683RARMZ-RL7

AD5683RBRMZ

AD5683RBRMZ-3

AD5683RBRMZ-3-RL7

AD5683RBRMZ-RL7

AD5682R 小型14位SPINANODAC+,集成±2 LSB INL和2 PPM/°C 基准电压源

AD5682RBCPZ-RL7

AD5681R 小型12位SPI nanoDAC+,集成±1 LSB INL和2 PPM/°C 基准电压源

AD5681RBCPZ-1RL7

AD5681RBCPZ-RL7

AD5681RBRMZ

AD5681RBRMZ-RL7

AD5683 小型、16位SPI nanoDAC+,配备±2(16位)LSB INL和2 ppm/°C 外部基准电压源

AD5683BCPZ-RL7

AD5676R 八通道16位nanoDAC+,内置2 PPM/°C基准电压源和SPI接口

AD5676RARUZ

AD5676RBRUZ

AD5672R 八通道12位nanoDAC+,内置2 PPM/°C基准电压源和SPI接口

AD5672RBRUZ

AD5592R 内置片内基准电压源和SPI接口的8通道、12位、可配置ADC/DAC

AD5592RBCBZ-RL7

AD5592RBCPZ-1-RL7

AD5592RBRUZ

AD5593R 内置片内基准电压源和I2C接口的8通道、12位、可配置ADC/DAC

AD5593RBCBZ-RL7

AD5593RBRUZ

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