CN0202: 灵活、高精度、低漂移的PLC/DCS模拟输出模块

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概览

电路笔记PDF, 06/2012 (pdf, 192 kB)
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优势和特点
  • 可编程模拟输出
  • 工业用电流和电压输出驱动器
  • 超低噪声和低温度漂移
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
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评估硬件
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评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-CN0202-SDPZ ($ 70.00) Flexible, High Accuracy, Low Drift, PLC/DCS Analog Output Module
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board SDP
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This circuit supports 3rd party connectivity.

电路功能与优势

图1所示电路是一种全功能、灵活、可编程的模拟输出解决方案,它满足可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)应用的大部分要求。AD5662 低功耗(0.75 mW @ 5 V)、轨到轨输出、16位nanoDAC® 转换器和 AD5750 工业电流/电压输出驱动器的基准电压要求和输入输出电压完全匹配。ADR444 低漂移(B级最大为3 ppm/°C)、高初始精度(B级最大为0.04%)和低噪声(1.8 μV p-p典型值,0.1 Hz至10 Hz)特性,能够同时为AD5750和AD5662提供基准电压,确保超低噪声、高精度、低温漂。这种电路具有16位分辨率、无失码、0.05%线性度和低于0.2%的总输出误差,提供所有典型电压和电流输出范围。

该电路还具有一些支持工业应用的重要特性,如片内输出故障检测和保护(短路、欠压输出、开路电流输出和过温)、用于防止分组错误(PEC)的CRC校验以及灵活的上电选项等,非常适合构建鲁棒的工业控制系统。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. 针对单通道的基本模拟输出电路(原理示意图,未显示所有连接和保护电路)

电路描述

AD5750/AD5750-1 均为单通道、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。电压输出范围可以针对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在一起,以便将终端系统配置为单通道输出。

AD5662 是一款单通道、低成本、低功耗、轨到轨电压缓冲输出的nanoDAC®器件,它能在0.75 V至VVD电源的宽基准电压范围内保证±1 LSB DNL,所以AD5750和AD5662可以由ADR444提供的4.096 V公共基准电压源来供电。整个系统将受益于ADR444的超低噪声和低温度系数。ADR44x系列基准电压源具有源电流和吸电流能力,非常适合驱动转换器的基准电压或电源输入。AD5662还内置一个上电复位电路,确保DAC输出上电至中间量程或零电平并保持该电平,直到执行一次有效的写操作为止。

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形式上的推荐要求。AD5750的各引脚内置ESD保护二极管,可以防止3 kV瞬变(人体模型)损害器件。但是,工业控制环境可能会使I/O电路遭受高得多的瞬变。EVAL-CN0202-SDPZ电路板内置外部30 V/600 W瞬变电压抑制器(TVS)、50 mA/30 V自恢复保险丝(PolySwitch)和肖特基功率二极管,以提供更高电压的ESD保护、50 mA过流保护和30 V过压保护。图1的原理示意图未显示可选的外部保护电路,但可以在CN0202设计支持包的详细原理图(EVAL-CN0202-SDPZ-SCH pdf文件)中找到: www.analog.com/CN0202-DesignSupport

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、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0V至5V电压输出模式下获得的。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所示测试结果是在25°C下使用EVAL-CN0202-SDPZ电路板和Agilent E3631A直流电源,利用Agilent 34401A数字万用表测得的。

注意,客户需要调整输出范围0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA,以便与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1.54% FSR输出误差包括增益误差,增益误差由客户通过校准消除。

equation

常见变化

该电路介绍一种采用驱动器和DAC产品的实施方案,可以从一系列产品中选择各种器件来实现所需性能。12位至16位分辨率是PLC和DCS应用的一般要求。对于不需要16位分辨率的应用, AD5620(12位)和 AD5640 (14位)适用,但需提供内置基准电压源。 AD5623R (12位)、 AD5643R(14位)和 AD5663R (16位)是双通道nanoDAC器件,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。

AD5750-1驱动器与AD5750 引脚兼容,采用1.25 V基准电压源时,可以接受0 V至2.5 V的输入范围。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

设备要求(可以用同等设备代替)

  • 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)
  • CN-0202电路评估板(EVAL-CN0202-SDPZ)
  • CN-0202评估软件
  • 用于控制外部测试测量设备的软件(CD中未包括)
  • Agilent 34401A 6.5数字万用表
  • Agilent E3631A 0 V-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接口和电缆

开始使用
将CN0202评估软件光盘放进PC的光盘驱动器,加载评估软件。打开“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。Pdf文件“EVAL-CN0202-SDPZ-SCH”包含CN-0202评估板的详细电路原理图。此文件位于CN-0202设计支持包中: www.analog.com/CN0202-DesignSupport

设置
EVAL-CN0202-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CON A”或“CON B”的连接器。应使用尼龙五金配件,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电源连接到标有“+15 V”的CN1引脚,将一个−15 V电源连接到标有“−15 V”的CN1引脚,将“GND”连接到标有“GND”的CN1引脚。以同样方式将+6 V连接到CN2。接通电源,然后将SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意:接通EVAL-CN0202-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

equation

测试
设置好测试设备后,将标有“VOUT”的CN3引脚或标有“IOUT”的CN4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和总误差需要相当长的时间,因为AD5660-1 16位DAC的所有电平都需要由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逐步测试各个代码并分析数据。CD中未提供此程序,必须由客户根据测试设置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,34401A万用表的GPIB输出与PC上的另一个USB端口接口。这样,万用表读数就能与载入PC中Excel电子表格的各代码对应。然后根据业界标准定义分析这些数据,以获得INL、DNL和总误差。

欲详细了解参数定义以及如何从测量数据计算INL、DNL和总误差,请参阅AD5662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

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
AD5750 电流/电压输出驱动器,输出范围可编程,适合工业应用 AD5750ACPZ-REEL7 AD5750BCPZ-REEL7 AD5750BCPZ AD5750ACPZ
ADR444 超低噪声、4.096V LDO XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR444ARMZ ADR444ARZ
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-CN0202-SDPZ Flexible, High Accuracy, Low Drift, PLC/DCS Analog Output Module $ 70.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board SDP $ 99.00 Yes
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。
沪ICP备09046653号
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