CN0064: 采用AD5662 DAC、ADuM1401数字隔离器和外部放大器的16位全隔离4 mA至20 mA输出模块

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 319 kB)
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优势和特点
  • 4mA至20mA输出模块
  • 数字隔离16位工业控制输出模块
  • 所有代码的FSR误差 < 0.025%
此电路中所用产品
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统
  • 现场仪器仪表和智能发送器

电路功能与优势

本电路提供一种完整的工业控制输出模块解决方案。该设计适合需要提供4 mA至20 mA电流输出范围的过程控制可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)模块和发射器。AD5662 nanoDAC® 是一款5 V、16位DAC,采用SOT-23封装。ADuM1401四通道数字隔离器则提供微控制器与DAC之间所需的全部信号隔离。本电路还含有标准外部保护功能,且经过测试和验证,完全符合IEC 61000标准。

图1. 16位隔离式4 mA至20 mA工业控制输出模块(原理示意图)

电路描述

对于工业控制模块,模拟输出电流范围通常为4 mA至20 mA或0 mA至20 mA。AD5662提供0 V至5 V输出,可设置流过检测电阻RS的电流,因而也决定流过R1的电流。利用运算放大器AD822 的第二半节,该电流镜像(10×)到R2。选择AD822放大器是因为其能以高性能、高电压工作。该电流镜的第一级需要以0 V输入工作,确保当DAC以零电平输出工作时无死区。这就要求AD822的负电源电压至少为−1 V,使得AD822的第一级输出具有充足的裕量。第二级的两个二极管与正电源串联,用来确保第二级的输出电压不会到达AD822的正供电轨,后者可以高达35 V。FET的输出同样受到一个串联二极管的保护。请注意,该串联二极管会增加电路的功耗,这在一些应用中可能会成为问题。

ADR02 的温度漂移最大值为9 ppm/°C。它的输入电压范围最高达36 V,因此也经常用于工业应用。

ADuM1401是一款采用ADI公司iCoupler®技术的四通道数字隔离器。它可用来在AD5662与系统微控制器之间实现隔离,隔离额定值为2.5 kV(均方根值)。可以用三条线,(SYNC, SCLK, and DIN)将标准SPI接口与AD5662相连。

图2. INL精度曲线(24 mA满量程输出范围)

图2所示为AD5662采用外部基准电压源ADR02时,电路输出到RL中的电流输出误差曲线(积分非线性)。结果显示了%FSR(满量程范围)与输入码的函数关系。本电路选择ADR02为基准电压源。

本设计还含有外部保护功能(如标准保护二极管和TVS器件等),且成功通过测试,符合IEC 61000标准,如表1所示。关于外部保护技术的详细讨论,请参考 Colm Slattery、Derrick Hartmann和Li Ke合作撰写的“PLC评估板简化工业过程控制系统设计”一文(《模拟对话》,43-04,2009年4月)。

表1. 符合IEC标准

测试项目 描述 结果
EN & IEC 61000-4-2 静电放电(ESD),±4 kV VCD 最大偏差:0.32%(CH3. Class B)
静电放电(ESD),±8 kV HCD 最大偏差:0.28%(CH3. Class B)
EN & IEC 61000-4-3 辐射抗扰度80 MHz 至 1 GHz(10 V/m),垂直天线极化 最大偏差:0.09%(CH1),0.30%(CH3. Class B)
辐射抗扰度80 MHz 至 1 GHz(10 V/m),水平天线极化 最大偏差:–0.04%(CH1),0.22%(CH3. Class B)
辐射抗扰度1.4 GHz 至 2 GHz(3 V/m),垂直天线极化 最大偏差:0.01%(CH1),-0.09%(CH3. Class B)
辐射抗扰度1.4 GHz 至 2 GHz(3 V/m),水平天线极化 最大偏差:0.01%(CH1),0.09%(CH3. Class B)
EN & IEC 61000-4-4 电快速瞬变(EFT) ±2 kV电源端口 最大偏差:–0.12%(CH3. Class B)
电快速瞬变(EFT) ±1 kV信号端口 最大偏差:–0.02%(CH3. Class A)
EN & IEC 61000-4-5 电源线突波,±0.5 kV 未发生电路板或器件损坏情况,符合Class B要求
EN & IEC 61000-4-6 对电源线执行抗扰度测试,10 V/m、5分钟 最大偏差:0.09%(CH3. Class B)
对I/O电缆执行抗扰度测试,10 V/m、5分钟 最大偏差:–0.93%(CH3. Class B)
EN & IEC 61000-4-8 磁场抗扰度,水平天线极化 最大偏差:–0.01%(CH3. Class A)
磁场抗扰度,垂直天线极化 最大偏差:–0.02%(CH3. Class A)

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD5662 2.7-5.5V、16位nanoDAC®转换器,采用SOT-23封装 AD5662ARJZ-1500RL7 AD5662BRJZ-2500RL7 AD5662BRJZ-1500RL7 AD5662BRMZ-1 AD5662ARMZ-1 AD5662BRJZ-1REEL7
AD822 单电源、轨到轨、低功耗、FET输入双通道运算放大器

欲获取样片,请 联系ADI公司

ADR02 超紧凑、5.0 V精密基准电压源 ADR02AUJZ-REEL7 ADR02WARZ-REEL7 ADR02AKSZ-REEL7 ADR02ARZ
ADUM1401 四通道数字隔离器(3/1通道方向性) ADUM1401WTRWZ ADUM1401CRW ADUM1401ARWZ ADUM1401WSRWZ ADUM1401CRWZ ADUM1401BRWZ
沪ICP备09046653号
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