CN0065: 利用单芯片电压和电流输出DAC AD5422及数字隔离器ADuM1401构建16位全隔离输出模块

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 315 kB)
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优势和特点
  • 电压和电流输出
  • 16位数字隔离工业控制输出模块
  • 所有代码的FSR误差 < 0.015%
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。该设计适合过程控制可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块,这些模块均要求具有标准4 mA至20 mA电流输出及单极性或双极性输出电压范围。16位DAC AD5422可通过软件配置提供所有必要的输出,并具有许多集成诊断特性,适用于工业环境。ADuM1401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。

电路描述

对于工业控制模块,标准模拟输出电压和电流范围包括±5 V、±10 V、0 V至5 V、0 V至10 V、4 mA至20 mA或0 mA至20 mA。AD5422是一款精密、全集成式16位DAC,提供可编程电流源和可编程电压输出,针对工业过程控制应用的要求而设计。

图1所示电路的输出电流范围可通过编程设置,设置范围为4 mA至20 mA、0 mA至20 mA或超量程功能0 mA至24 mA。电压输出由一个独立引脚提供,经过配置可以提供0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V的输出范围。所有范围均提供10%的超量程特性。模拟输出提供短路和开路保护,可驱动1 μF容性负载和1 H感性负载。

图1:16位工业控制输出模块,集成诊断、输出保护功能(原理示意图)

默认条件下,AD5422的DVCC引脚采用2.7 V至5.5 V电源供电。或者,也可以使用DVCC SELECT引脚,将4.5 V内部电源与DVCC引脚相连,用作系统中其它器件的数字电源,或者用作上拉电阻的端电极。这种模式下,DVCC引脚可提供的最大电流为5 mA。在此设计中,DVCC输出用于为数字隔离器ADuM1401的隔离场端供电。

ADuM1401是一款采用ADI公司iCoupler® 技术的四通道数字隔离器。利用它可在AD5422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)。所有四条线均用于将标准SPI接口与AD5422相连:三条发射线(LATCH、SCLK、SDIN)和一条接收线(SDO)。

AD5422具有一个10 ppm/°C片内基准电压源。为了在整个温度范围内提供高性能,本设计采用5 V外部基准电压源ADR445,其最大精度误差为0.04%,最大温度漂移为3 ppm/°C。在整个工业温度范围内,此漂移大约贡献0.02%的误差。

图2显示AD5422采用外部基准电压源ADR435时的输出误差曲线。所示数据为0 V至10 V标称输出范围内以%FSR(满量程范围)表示的输出电压误差。

图2:INL精度曲线(0 V至10 V输出范围)

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更多讨论内容,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)。

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)

表1. 符合IEC标准

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD5422 单通道、16位、电流源和电压输出DAC,HART连接 AD5422ACPZ-REEL7 AD5422BREZ AD5422BCPZ-REEL7 AD5422AREZ
ADR445 超低噪声、5.0V LDO XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR445ARZ ADR445ARMZ
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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