CN0209: 适合过程控制应用的完全可编程通用模拟前端

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概览

电路笔记PDF, 05/2011 (pdf, 398 kB)
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优势和特点
  • 适合过程控制的完整模拟前端。
  • 输入包括RTD、热电偶、4-20Ma、+/- 10V
  • 在各种输入类型之间轻松切换
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统
  • 温度控制器
  • 电子测试和测量
设计资源
评估硬件
Part numbers with "Z" indicate RoHS Compliance.
评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-CN0209-SDPZ ($ 75.00) Fully Programmable Universal Analog Front End for Process Control Applications
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board SDP
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设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.
FPGA HDL
连接支持
This circuit supports 3rd party connectivity.

电路功能与优势

图1所示电路是一款适合过程控制应用的完全可编程通用模拟前端(AFE)。它支持下列输入:2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入。

如今,许多模拟输入模块使用线链路(跳线)来配置客户输入要求,配置和重新配置输入需要时间、知识和手动干预。本电路提供一个用来配置工作模式的软件可控开关以及用来激励RTD的恒流源。本电路也可以重新配置,以便设置热电偶配置的共模电压。一个差分放大器用来调理Σ-Δ ADC的模拟输入范围。本电路以最低的成本提供业界领先的性能。

由于AD8676AD8275 提供电压增益,因此该设计特别适合小信号输入、所有类型的RTD或热电偶。

AD7193 是一款24位Σ-Δ型ADC,可配置为四路差分输入或八路伪差分输入。ADuM1400ADuM1401在微控制器与ADC之间提供所需的全部信号隔离。本电路还含有标准外部保护功能,符合IEC 61000标准。

图1. 适合过程控制应用的通用可编程模拟前端(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

电路描述

本电路针对过程控制应用提供一款完全可编程的通用模拟前端(AFE),支持2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入,如图2的配置图所示。

串行控制的8通道单刀单掷开关 ADG1414用于配置选定的测量模式。

图2. 模拟输入配置表

电压测量

本电路支持最高达±10 V的单极性和双极性信号测量。输入信号先通过一个信号调理级,然后由AD7193 ADC执行转换。AD8676放大器缓冲输入信号,然后由增益级放大。AD8275用来对输入信号进行电平转换,并提供增益,使其符合AD7193的输入范围。与REF引脚相连的共模电压用来偏置AD8275的输出。此电压由4.5 V精密基准电压源 REF194 产生。

RTD测量
如连接表所示,本电路支持2/3/4线RTD配置。此时,传感器是一个1000 Ω铂(Pt) RTD(电阻温度检测器)。最精确的配置是4引脚RTD配置。在所示的应用中,外部200 μA电流源提供RTD所需的激励电流,AD7193在16倍增益下工作,使电路的动态范围达到最大。选择RTD测量模式时, AD8617 放大器被配置为电流源。选择热电偶测量时,它在闭环中重新配置,以便设置共模电压。AD8617是一款双通道低噪声放大器,因此它能同时驱动电路板上的两个输入通道。配置电流源的电阻必须具有低温度系数,以免在测量电路中引入温漂误差。

热电偶测量

在热电偶应用中,以ADC外部的绝对基准电压为基础来测量热电偶所产生的电压。冷结补偿利用16位温度传感器 ADT7310 实现。因为热电偶的信号较小,同时为使电路的动态范围达到最大,所以AD7193在128倍的最高增益下工作。输入通道具有缓冲功能,因此需要时可将大去耦电容置于前端,以便于消除可能出现在热电偶引脚上的噪声影响。热电偶测量所用的共模电压由放大器AD8617提供。

4 mA至20 mA电流测量
本电路还支持4 mA至20 mA电流测量。利用片上检测电阻将电流转换为电压。为在电流测量模式下使用ADC的全部动态范围,使用一个200 Ω电阻。该检测电阻必须具有低温度系数,以免在测量电路中引入温漂误差。

稳压器和基准电压源的选择
本电路选择 ADP1720 作为5 V稳压器。

ADP1720是一款高压微功耗线性稳压器,特别适合工业应用。本电路选择4.5 V REF194作为基准电压源,E级器件在25°C时的初始精度为±2 mV,最大温漂为5 ppm/°C。它是一款低压差器件,功耗小于45 μA,额定工作温度范围为−40°C至+125°C。

隔离
ADuM1400和ADuM1401是基于ADI公司 iCoupler® 技术的四通道数字隔离器,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 rms。ADuM1400使用4条线,全部用于发送数据(SCLK、DIN、ADG1414、ADT7310)。ADuM1401也使用4条线,1条线用于发送数据( AD7193),3条线用于接收数据(INT1、INT2、DOUT)。DIN、DOUT和SCLK线连接到SPORT接口。


表1:基于1000个采样点的实测性能

输入 AD7193 配置 均方根噪声 (nV) 有效分辨率(位)
±10V 输入范围 增益 = 1;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 50 Hz 7940 19.15
4 mA 至20 mA范围 增益 = 1;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 2.63 Hz 931 22.24
RTD 增益 = 16;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 2.63 Hz 243 20.29
热电偶 增益 = 128;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 2.63 Hz 220 19.23

图3显示配置为双极性输入模式并且输入接地时AD7193输出性能的直方图。该直方图显示了等效输入噪声的影响。这种模式实现的有效分辨率为19.2位。

表1显示了其它模式下基于1000个ADC数据采样点的性能。

该设计还包括外部保护功能,如标准保护二极管和瞬变电压抑制器(TVS器件)等,用以增强电路的鲁棒性。更多信息参见CN0209设计支持包中的原理图和其它资源:http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport

图3. AD1793噪声分布直方图(1000样本,50 Hz数据速率,增益 = 1,输入 = 4.5 V基准电压)

电路评估与测试

本电路使用EVAL-CN0209-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。这两片板具有120引脚的对接连接器,可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0209-SDPZ板包含要评估的电路,如本笔记所述。SDP评估板与CN0209评估软件一起使用,可从EVAL-CN0209-SDPZ电路板获取数据。

设备要求

  • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7(32位)PC
  • EVAL-CN0209-SDPZ 电路评估板
  • EVAL-SDP-CB1Z SDP 评估板
  • CN0209 评估软件
  • +15 V和–15 V电源
  • RTD温度传感器
  • 热电偶

开始使用
将CN0209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。

电路的功能框图参见本电路笔记的图1,电路原理图参见“EVAL-CN0209-SDPZ-SCH-Rev0.pdf”文件。此文件位于CN0209设计支持包中: http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport

设置
EVAL-CN0209-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”的连接器。通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。在断电情况下,将一个+15 V电源连接到板上标有“+15 V”的引脚,将一个−15 V电源连接到板上标有“−15 V”和“GND”的引脚。SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意:此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。

测试
为连接到EVAL-CN0209-SDPZ电路板的±15 V电源通电。启动评估软件,并通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB连接器。

一旦USB通信建立,就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0209-SDPZ板的串行数据。

电压测量
若要测量电压测量电路的噪声,请将输入J3和J4同时接地,然后点击软件中相应通道的按钮:V1(若使用通道1)或V2(若使用通道2)。

若要测量电压,请按照图2(模拟输入配置表)所示连接输入J3和J4,然后如上所述,点击软件中的相应按钮。

结果以波形和直方图显示。可以使用切换按钮选择电压测量结果的刻度:μV、mV或V。

RTD测量
若要通过RTD温度传感器测量温度,请按照图2所示连接输入J1、J2、J3和J4。RTD 2线、3线或4线各对应一种连接配置。然后,点击软件中的相应按钮(RTD1表示通道1,RTD2表示通道2)。

可以使用波形上方的切换按钮来选择测量结果的显示单位:华氏度、摄氏度或开氏度。

热电偶测量
若要通过热电偶测量温度,请按照图2所示连接输入J1、J2、J3和J4。选择所用的热电偶类型(B、E、J、K、R、S、T、N),然后点击软件中的TC按钮(TC1表示通道1,TC2表示通道2)。

可以使用波形上方的切换按钮来选择测量结果的显示单位:华氏度、摄氏度或开氏度。

电流测量
若要测量电流,请按照图2所示连接输入J5和J6,然后点击软件中的相应按钮(I1表示通道1,I2表示通道2)。

可以使用切换按钮选择电流测量结果的刻度:μA、mA或A。

有关SDP板的信息,请参阅 SDP 用户指南

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7193 内置PGA的4通道、4.8 KHZ、超低噪声、24位Σ-Δ型ADC AD7193BRUZ AD7193BCPZ
AD8275 G = 0.2、电平转换、16位ADC驱动器 AD8275ARMZ AD8275BRMZ
AD8617 低成本、微功耗、低噪声CMOS RRIO双通道运算放大器 AD8617ARZ AD8617ACPZ-R7 AD8617ARMZ
AD8676 超高精度、36 V、2.8 nV/√Hz双路RRO运算放大器 AD8676ARMZ AD8676ARZ AD8676BRMZ
ADG1414 9.5 Ω RON ±15 V/+12 V/±5 V iCMOS 串行控制八通道单刀单掷开关 ADG1414BCPZ-REEL7 ADG1414BRUZ
ADG442 LC2MOS 四通道单刀单掷开关 ADG442BRZ
ADP1720 50 mA、高压、微功耗线性稳压器 ADP1720ARMZ-3.3-R7 ADP1720ARMZ-5-R7 ADP1720ARMZ-R7
ADT7310 ±0.5°C精度、16位数字SPI温度传感器 ADT7310TRZ
ADUM1400 四通道数字隔离器(4/0通道方向性) ADUM1400ARWZ ADUM1400BRWZ ADUM1400WSRWZ ADUM1400WTRWZ ADUM1400CRWZ
ADUM1401 四通道数字隔离器(3/1通道方向性) ADUM1401WTRWZ ADUM1401CRW ADUM1401ARWZ ADUM1401WSRWZ ADUM1401CRWZ ADUM1401BRWZ
REF194 4.5V精密、微功耗、低压差、低压基准电压源

欲获取样片,请 联系ADI公司

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产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
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EVAL-CN0209-SDPZ Fully Programmable Universal Analog Front End for Process Control Applications $ 75.00 Yes
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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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