CN0233: 16位工业、隔离电压电流输出的DAC,同时提供隔离的DC-DC电源

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电路笔记PDF, 07/2014 (pdf, 197 kB)
下载英文版PDF, 04/2012 (pdf,  197kB)
优势和特点
  • 工业输出DAC
  • 隔离电源和信号
  • 兼容+/- 10V和4-20 mA控制系统
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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  • 原理图
  • 物料清单
  • Gerber文件
  • 装配图
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电路功能与优势

图1所示电路提供16位全隔离±10 V和4 mA至20 mA输出,适合可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。

该电路采用数字隔离、PWM控制型电源调节电路和相关的反馈隔离。外部变压器能使电能跨越隔离栅传输,同时整个电路采用初级端的+5 V单电源工作。该解决方案优于隔 离式电源模块——电源模块通常体积庞大,而且输出调节可能不佳。

数字隔离器比光隔离器性能更佳,尤其是需要多通道隔离的场合。集成式设计将电路与本地系统控制器相隔离,以防形成接地环路,同时确保不受恶劣的工业环境经常会遇 到的外部事件影响。

图1. 带隔离电源的16位隔离式电流和电压输出DAC

电路描述

AD5422是一款完全集成、完全可编程的16位电压和电流输 出DAC,可编程范围如下:4 mA至20 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V。电压输出裕量典型值为1 V,电流输出需要大约2.5 V的裕量。这意味着,采用15 V电源时,20 mA电流输出可以驱动大约600Ω的负载。

ADuM347x为四通道数字隔离器,集成PWM控制器和低阻抗变压器驱动器(X1和X2)。隔离式DC/DC转换器仅需要以下额外器件:变压器和简单的二极管全波整流器。采用5.0 V或3.3 V输入电源时,器件最多可提供2 W的隔离侧调节功 率,这样就不需要单独的隔离式DC/DC转换器。

iCoupler芯片级变压器技术用于隔离逻辑信号;集成的变压器驱动器带隔离副边控制功能,可以提高隔离式DC/DC转换器的效率。内部振荡器频率可以在200 kHz至1 MHz范围内调整,由ROC的值决定。当ROC = 100 kΩ时,开关频率为500 kHz。

ADuM3471调节点来自15 V正电源。调节反馈来自分压器网络(R1、R2、R3)。电阻根据以下要求选择:当输出电压为15 V时,反馈电压为1.25 V。反馈电压与ADuM3471内部反馈设定点电压1.25 V相比较。调节通过改变驱动外部变压器的PWM信号的占空比来实现。

负电源的调节不太严格,对于轻负载,负电源可以高达−23 V,这仍然在AD5422的−26.4 V最大工作电压以内。对于1 k以上的标称负载,负电源较大的未调节电压导致的额外功耗不是问题。在对电源变化敏感或极低功耗的应用中,应当考虑其它电源设计。

该电路利用5 V、高精度、低漂移(B级最大值为3 ppm/°C)外部基准电压源ADR445进行测试。在工业温度范围内(−40°C至+85°C),该电路的总系统误差小于0.1%。

AD5422内部集成一个高精度基准电压源,其最大温漂为10ppm/°C。若用该基准电压源代替外部基准电压源,则在整个工业温度范围内,只会产生0.065%的额外误差。

测试数据与结果

AD5422差分非线性(DNL)经过测试,可确保系统精度不会因为开关电源而有所损失。图2显示了±10V范围内的DNL。此结果表明DNL误差小于0.5 LSB。

图2. 电路的DNL测量结果(±10 V输出范围)

此外还测试并测量了一定时间内的平均输出噪声,如图3所示。总漂移大约为75 μV,对应仅0.25 LSB的噪声。

图3. ±10 V输出范围下,DAC输出设为−5 V时测得的平均DAC输出噪声,垂直刻度:50μV/div(1 LSB = 305μV),2000个样本
图4. 电流输出范围内的测量误差(% FSR)
图5. 电压输出范围内的测量误差(% FSR)

电路的实际误差数据见图4和图5。输出电流和电压的总误差(% FSR)通过将理想输出与测量输出之差除以FSR,然后将结果乘以100即可算出。如图4和图5所示,在电流和电压输出模式下均获得了低于0.5% FSR的误差。

如果VOUT引脚必须驱动高达1μF的大电容负载,那么通过跳线连接电路板上的P4引脚,就可在AD5422的 VOUT引脚和CCOMP引脚之间连接一个3.9 nF电容。 然而,增加此电容会降低输出放大器的带宽,从而增加建立时间。

常见变化

经验证,采用图中所示的元件值,该电路能够稳定地工作,并具有良好的精度。如果应用只需要4 mA至20 mA电流输出,则可以使用单电源方案。这种情况下,正AVCC电源 可以高达26.4 V,因此输出顺从电压为26.4 V – 2.5 V = 23.9 V。输出电流为20 mA时,可以驱动高达1 kΩ的负载电阻。

如果应用不需要16位分辨率,可以使用12位产品 AD5412

ADuM347x (ADuM3470 ADuM3471ADuM3472 ADuM3473ADuM3474) 隔离器提供四个独立的隔离通道,支持多种输入/输出通道配置。这些器件还提供1 Mbps(A级)或25 Mbps(C级)的最大数据速率。

电路评估与测试

该电路使用 EVAL-CN0233-SDPZ电路板连接 EVAL-SDP-CB1Z板进行测试,如图6所示。

用于收集测试数据的设备

  • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows 7(32位)PC
  • EVAL-CN0233-SDPZ
  • EVAL-SDP-CB1Z
  • 电源:+6 V壁式电源适配器、Agilent E3630A或同等设备
  • Agilent 3458A、8.5位数字万用表或同等设备
  • National Instruments GPIB转USB-B接口与电缆(仅在捕捉DAC模拟数据并将其传送到PC时才需要)

设置与测试

该电路同时连接EVAL-CN0233-SDPZ评估板和EVAL-SDPCB1Z评估板进行测试和验证,如图6所示。

通过CN-0233评估软件使用图6中的设置捕捉EVALCN0233-SDPZ电路板的数据。有关使用该软件的详情,请参考CN-0233软件用户指南

DNL、噪声数据和实际FSR误差可如下方式获取:使用EVAL-SDP-CB1Z板连接PC, 将DAC数据输入EVALCN0233-SDPZ评估板,然后通过3485万用表读取电压或电 流输出结果。GPIB/USB接口用来将数据传输到PC,以供分析使用。 CN0233评估软件用来产生DAC所需的数据。

图6. 显示评估板连接的测试设置功能框图
图7. EVAL-CN0233-SDPZ PC板照片

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
ADUM3471 隔离式开关稳压器(3/1通道方向性) ADUM3471WARSZ ADUM3471ARSZ ADUM3471WCRSZ ADUM3471CRSZ
沪ICP备09046653号
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