CN0067: 基于24位Σ-Δ型ADC AD7793、数字隔离器ADuM5401和高性能仪表放大器的全隔离输入模块

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 352 kB)
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优势和特点
  • 工业控制输入模块
  • 4mA至20mA电流输入和单极性输入电压
  • 24位数字隔离分辨率
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
设计资源
设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.

电路功能与优势

本电路提供一种完整的工业控制输入模块解决方案。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,这些模块必须对标准4 mA至20 mA电流输入及单极性或双极性输入电压范围进行数字化处理。仪表放大器AD8220用来对双极性信号进行电平转换,向AD7793 ADC提供0 V至5 V输入信号。ADuM5401提供微控制器与ADC之间所需的全部信号隔离和电源。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. 24位隔离式工业控制电压输入模块(原理示意图)

电路描述

对于工业控制模块,模拟输入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。输入端的电阻分压器(R2-R3)用来衰减高压输入,使其符合AD8220的最大输入范围(采用+5 V单电源供电时为−0.1V至+2.5 V)。AD8220用来对输入信号进行电平转换,并提供增益,使其符合AD7793的输入范围。该电路专门针对单极性模拟输入设计,其它电路板针对双极性操作设计,需要双极性电源(参见“iCoupler 数字隔离器保护工业、仪器仪表和计算机应用中的RS-232、RS-485和CAN总线”Wayne, Scott,模拟对话,2005年10月。) AD8220用来对输入信号进行电平转换,并提供增益,使其符合AD7793的输入范围。它还具有这些应用需要的出色共模抑制比(CMRR)。跳线(为清晰起见,图中显示为开关)用来切换硬件中的电流和电压范围,以及设置AD8220的增益。例如,当输入设置为接收4 mA至20 mA电流时,开关配置为在输入端提供250 Ω负载电阻(R1),以提供5 V满量程电压。

与REF引脚相连的共模信号用来偏置AD8220的输出。该基准信号产生自与AD7793相同的基准电压源,经过分压后,提供0.5 V偏置电压。该偏置电压利用AD8601进行缓冲,并与AD8220的REF引脚相连。AD8220的REF输入应始终采用低阻抗、深度去耦源驱动。

本电路选择ADR441 为基准电压源。它具有0.04%的出色精度特性,温度漂移最大值为3 ppm/°C。

ADuM5401是一款采用ADI公司iCoupler®技术并集成isoPower技术的四通道隔离器。它可用来在现场端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)。ADuM5401还集成了DC-DC转换器,可在5 V或3.3 V时提供500 mW的稳压隔离电源。本设计利用ADuM5401提供的5 V电压为输入模块上的所有模拟电路供电。使用四条线:三条用于发射(CS, SCLK, DIN),一条用于接收(DOUT),这些线与标准SPI接口相连。

图2所示为采用±10 V输入范围连接一个2.5 V输入信号时,该输入模块的噪声图。输出端测得的噪声以峰峰分辨率表示。19.2位峰峰无噪声码分辨率表示:相对于ADC的24位分辨率,ADC输出端有4.8位“闪烁噪声”。因此,ADC的无噪声码分辨率为19.2位。就对整体系统误差的贡献而言,测得的4.8位噪声相对于ADC的满量程范围贡献了约0.0001%的误差。AD7793的积分非线性误差为0.0015%。

图2. 输入模块直方图(更新速率为4.7 Hz,增益为1,输入为2.5 V基准电压)

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,符合下列表1所示的IEC 61000标准。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
AD7793 3通道、低噪声、低功耗、24位Σ-Δ型ADC,内置片内仪表放大器和基准电压源 AD7793BRUZ
AD8220 具有轨到轨输出的JFET输入仪表放大器 AD8220BRMZ AD8220ARMZ
AD8601 具有极低失调电压的DigiTrim™ RRIO单通道运算放大器 AD8601ARTZ-REEL7
ADR441 超低噪声、2.5V LDO XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR441ARMZ ADR441ARZ
ADUM5401 集成DC/DC转换器的四通道隔离器(3/1通道方向性) ADUM5401CRWZ ADUM5401WCRWZ ADUM5401ARWZ ADUM5401WCRWZ-1
沪ICP备09046653号
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