CN0321: 具有HART的完全隔离、单通道电压、4 mA至20 mA输出

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概览

电路笔记PDF, 08/2013 (pdf, 2532 kB)
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优势和特点
  • 电压和4mA至20mA输出
  • 完全隔离
  • HART 连接能力
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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This circuit supports 3rd party connectivity.

电路功能与优势

该电路提供一款完整的、完全隔离、模拟输出通道,适合 需要标准4mA至20 mA HART®1-兼容型电流输出和单极性/双极性输出电压范围的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块。它为通道间隔离PLC/DCS输出模块或其他所有需要完全隔离式模拟输出的工业应用提供了灵活的构建块。电路在模拟输出端还提供了外部保护功能。

AD5422 16位数模转换器(DAC)可通过软件配置,提供全部必须的电流和电压输出。

AD5700-1是业界功耗最低、尺寸最小的 HART兼容型IC调制解调器,与 AD5422配合使用,组成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解决方案。 AD5700-1集成内部精密振荡器,可额外节省空间,尤其在通道间隔离应用中。

PLC/DCS 解决方案必须与本地系统控制器隔离,使之免受接地环路影响,同时确保不受外部事件影响。传统解决方案利用分立IC提供电源和数字隔离。当需要多通道隔离时,分立电源解决方案的成本和空间会变成一个大大的缺点。基于光隔离器的解决方案通常具有合理的输出调节,但需要额外的外部元件,因而会使电路板面积增大。电源模块常常体积庞大,而且输出调节可能不佳。图1中的电路使用 ADuM347x系列隔离器和电源调节电路,以及相应的反馈隔离。使用外部变压器将功率传输到隔离栅的另一端。

ADuM3482 AD5700-1提供UART信号隔离。

ADP2441, 是36 V降压DC-DC稳压器,采用工业标准24 V电源,具有宽输入电压容差。它可将电压降为5 V,为所有控制器侧电路供电。该电路还在24 V电源端集成了标准外部保护,同时还可提供+36 V至−28 V的直流过压保护。

图1.功能框图(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

电路描述

模拟输出

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 和 0 mA 至 +20 mA 。 AD5422是一款精密的、全集成 16 位 DAC , 内置可编程电流源和可编程电压输出,设计用于满足工业 过程控制应用的需要。

AD5422提供前面列出的所有输出范围,电流输出范围和电 压输出范围分别以独立引脚提供。针对所有电压范围提供 10% 超量程功能,并且针对电流输出提供 0 mA 至 20 mA 超量 程。模拟输出受短路和开路保护。

AD5422具有一个片上 10 ppm/°C 基准电压源。为了在额定温度 范围内达到更高的性能,该设计使用了 ADR02 基准电压源。 ADR02是一款 5 V 精密基准电压源,允许高达 36 V 的输入电 压。其最大精度误差为 0.05% ,最大温度漂移为 3 ppm/°C 。 该漂移在工业温度范围内会贡献大约 0.02% 误差。

AD5422支持以内部或外部精密电流设置电阻作为电流输出 电路。本设计使用内部电流检测电阻选项;但通过使用精 密外部 15 kΩ电阻,可达到更高的精度。

通过浮空 AD5422的 DV CC SELECT 引脚,内部 4.5 V 电源可连 接至 DV CC 引脚,用于 AD5700-1的数字电源和隔离器的现 场端。也可使用 ADuM3471上的 5 V 输出型低压差 (LDO) 稳压 器。 LDO 提供更紧凑的 5 V 稳压供电轨;但由于 ADuM3471稳压器输入引脚上的绝对最大额定值,它不允许高于 20 V 的 直流过压。

EVAL-CN0321-SDPZ硬件的输出连接器配置见表 1

HART 兼容性

AD5700-1 AD5422搭配使用,组成完整的 HART 兼容型 4 mA 至 20 mA 解决方案。 AD5700-1是 0.5% 精密内部振荡器,可极 大节省在通道间隔离的应用中的板上空间;这类应用原本 需要针对每通道使用时钟晶体。晶体通常比 AD5700-1 IC 本 身要大;因此,内部振荡器节省下来的面积空间是巨大的。

HART 调制解调器输出通过 C1 和 C2 衰减,并通过 CAP2 引脚 交流耦合至 AD5422。其他信息参见 AN-1065 应用笔记 . Circuit Note CN-0278。电 路笔记CN-0278 描述了一种使用 R SET 引脚的替代 HART 耦合 方式,具有更高的电源抑制性能,但需要使用一个外部精 确电流设置电阻。

隔离电源

AD5422需要的电压输出裕量最大值为 0.8 V ,并且电流输出 需要最大值为 2.5 V 的裕量。因此,需要一个大于 12.5 V 的电 源,以便通过 500Ω负载输出 20 mA 电流。在本设计中,最 小电源电压 ( 过温 ) 不超过 13.5 V ,允许具有一定裕量。

ADuM347x为四通道数字隔离器,集成脉冲宽度调制 (PWM) 控制器和低阻抗变压驱动器 (X1 和 X2) 。隔离式 DC/DC 转换器仅需要以下额外器件:变压器和简单的全波 二极管整流器。采用 5.0 V 或 3.3 V 输入电源时,器件最多可 提供 2 W 的调节隔离功率,因而无需另外使用隔离式 DC-DC 转换器。

i Coupler® 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 R OC 的值决定。当 R OC = 100 kΩ时,开关频率 为 500 kHz 。

ADuM3471调节来自 15 V 正电源。调节反馈来自分压器网络 (R1 和 R2) 。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,且空载时可能低至 −26.4 V 。因此, 在负电源处放置一个 25 V 齐纳二极管。轻载时,二极管从电 源获取小电流,但可确保其箝位在 25 V 左右。

另一种方法是使用匝数比为 4:1 的隔离式变压器;当其空载 时,负供电轨不会过低。在要求较高顺从电压或极低功耗 的应用中,应当考虑其它电源设计。

输入功率

图 1 中的电路采用 24 V 电源供电。 ADP2441用于将 24 V 降压 为 5 V ,为所有控制器侧电路供电。

ADP2441可接受最高 36 V 的电压,并且可更加轻松地达到可 靠的电源输入瞬变保护。

ADP2441还具有其他各种安全性 / 可靠性功能,如欠压闭锁 (UVLO) 、精确使能特性、电源良好引脚和过流限值保 护。对于 24 V 输入和 5 V 输出,它能达到最高 90% 效率。

隔离

ADuM3471电源隔离电路包括四个完全隔离的电压通道, 隔离额定值为 2.5 kV 。这四个通道用于隔离的四条 数据线路 (SCLK 、 LATCH 、 SDIN 和 SDO) 。 SDO 线路隔离 对于电路运行而言并非必要,但允许访问诊断和故障特 性,以及寄存器回读。

ADuM3482是一款 3.75 kV 四通道数字隔离器,采用小型 20 引脚 SSOP 封装 (7.2 mm × 7.8 mm) 。 ADuM3482内核工作电 压范围为 3.0 V 至 5.5 V ,而 I/O 电源范围为 1.8 V 至 5.5 V 。这 些器件可用于直接与 1.8 V 逻辑器件接口。该隔离器用于隔 离 AD5700-1 HART 调制解调器的 UART 信号。

有关i产品的更多信息,请访问 www.analog.com/icoupler.

直流过压保护 图 1 中的电路允许对持续的直流电压 +36 V 和 −28 V 进行过压 保护。这意味着,在直流电源线路意外连接输出时,电路 受到保护。 在过压条件中,电源通过外部保护二极管拉高或拉低。这 些二极管和输出端之间的电阻限制了峰值电流。 输出端的最大 / 最小电压受限于任意连接输出或电源电路的 击穿电压。 AD5422的电流和电压输出可耐受 +48 V 至最低 − 28 V 。 AV SS 输入可耐受 −28 V , AV DD 可耐受 +48 V 。 ADR02基准电压源输入可耐受 36 V 。 AD5700-1的 ADC_IP 引脚受 150 kΩ电阻保护,该电阻限制所有电流,后接一个 300 pF 隔直电容。在直流过压条件下,勿将其他 IC 暴露在较高的 电压下。 瞬变电压保护 AD5422内置 ESD 保护二极管,可防止正常操作造成的损 害。但是,工业控制环境会使 I/O 电路遭受高得多的瞬 变。为了防止过高瞬态电压影响 AD5422,可能需要外部功 率二极管和浪涌电流限制电阻,如图 1 所示。 对电流输出路径上电阻值的制约条件 ( 图 1 中的 18 Ω) 是:正 常工作时, I OUT 输出电平必须保持在其顺从电压限值内, 即 AV DD − 2.5 V ,并且两个保护二极管和电阻必须具有适当 的额定功率。在 18 Ω 下,对于 4 mA 至 20 mA 输出,引脚上 的电压限值会降低 V = IMAX × R = 0.36 V. 对电压输出路径上电阻值的制约条件 ( 图 1 中的 100 Ω) 是: 整个输出电压范围内必须具有 0.8 V 裕量。电阻效应可通过 +V SENSE输入降至最低。如图 1 所示, +V SENSE 输入受 22 Ω 电阻 保护。相应地, −V SENSE 路径上还有一个 22 Ω 电阻。这两个 22 Ω 电阻会导致绝对增益误差,该误差可能需要在室温下 加以校准;产生该误差的原因是 AD5422的内部反馈电路阻 抗仅为70kΩ。在 AD5422的输出端 ( 而非 V OUT 引脚 ) 检测电压 的优势是, V OUT 引脚的保护电阻两端具有可变电压,具体 取决于所获取的负载电流。在输出端检测可避开此误差源。 还可以通过瞬态电压抑制器 (TVS) 或瞬态吸收器实现进一 步的保护。这些元件包括单向和双向抑制器,可提供各种 各样的隔离和击穿电压额定值。 TVS 应尽量采用最低击穿 电压定标,同时在电流正常输出的范围内不导通。如前所述,建议保护所有远程连接节点。

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, AD5422 的正 AV DD 电源可以达到比如 24 V ,而输出顺从电压为 24 V − 2.5 V = 21.5 V 。输出电流为 20 mA 时,可以驱动高达 1kΩ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对于仅需电流输出的应用,可以使用AD5420(16位) 和 AD5410 (12位)

对于需要在同一个引脚输出电压和电流的应用,参见电路 笔记 CN-0278中的技巧。

若不需要过压保护,则可以采用数值较低的最大电源电 压,如 ADR4550 ADR445

ADuM347x隔离器( ADUM3470, ADuM3471, ADuM3472, ADuM3473,和 ADuM3474)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。

可使用 AD5700调制解调器,而非 AD5700-1;但需要使用 外部晶体或 CMOS 时钟。

电路评估与测试

设备要求

需要使用以下设备:

  • The EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP-B)
  • The EVAL-CN0321-SDPZ评估板和软件
  • PC(Windows®32位或64位)
  • 24 V电源
  • 精密电压表,如Agilent 34410A
  • 数字测试滤波器 ( 如 HCF_TOOL-31 ,可从 HART 通信基 金会获得)
  • 500 Ω精密负载电阻
  • Tektronix DS1012B 示波器或等同产品
图2.测试设置功能框图

测试设置功能框图

测试设置的框图如图2所示。

软件安装

评估套件包括一张光盘,其中含有自安装软件。该软件兼 容 Windows XP (SP2) 、 Vista(32 位或 64 位 ) ,或 Windows 7(32 位或 64 位 ) 。如果安装文件未自动运行,可以运行光盘中的 setup.exe 文件。

请先安装评估软件,再将评估板和 SDP 板连接到 PC 的 USB 端口,确保 PC 能够正确识别评估系统。

  1. 使用附带的电缆,通过 PC 的 USB 端口连接 EVAL-SDP-CB1Z
  2. 连接EVAL-CN0321-SDPZ评估板至连接器 A 。若使用了连 接器 B ,则 EVAL-SDP-CB1Z的 UART 将无法正常工作。
  3. 对 J1 连接器施加 24 V ,可上电 EVAL-CN0321-SDPZ
  4. 启动 EVAL-CN0321-SDPZ软件,然后确认出现的所有对 话框。这样就完成了安装。

软件

软件主窗口如图 3 所示。点击 Advanced 可提供配置 AD5422的更多选项。

图3.软件主窗口

对于 HART 通信而言,确保开启了电流输出范围,然后选 择 HART 页面。在 HART 页面上,数据可输入 Command 命 令框,然后发送 4 mA 至 20 mA 环路;软件可以设为轮询 4 mA 至 20 mA 环路上的任意数据。也可选择 HART Query 页面, 查询所连接 HART 兼容型执行器的器件地址和器件类型。

绝对精度性能


在电流输出模式下, AD5422使用内部 R SET 的总不可调整误 差 (TUE) 规格为 0.08%FSR( 典型值, 25°C) 。

ADR02基准电压源 (B 级 ) 的总误差为 0.06% 最大值 (25°C) 。

结果位于预期值范围内。

类似地,对于电压输出模式, AD5422的 TUE 为 0.01%FSR ( 典型值, 25°C) 。

ADR02基准电压源 (B 级 ) 的误差为 0.06% 最大值 (25°C) 。

表 3 显示 ±10 V 输出范围内,电路的测量电压输出误差。

表 3 中的电压输出包括 AD5422 电路 +V SENSE 和 −V SENSE 输入上 的 22Ω保护电阻误差。 +V SENSE 和 −V SENSE 输入内部连接至数 值约为 70 kΩ的反馈电阻。额外的 22 Ω电阻从外部加入约为 22Ωk/70Ωk( 或 0.031%) 的增益误差。该初始误差可通过校 准消除。

积分非线性 (INL) 性能


AD5422的 INL 在线性电源和隔离式 DC/DC 开关电源两种情 况下进行测试,确保系统精度不会因为开关电源而有所损 失。图 4 显示的是线性电源以及开关电源下的 INL 。与线性 电源相比,使用开关电源时性能没有明显损失。

图4.使用线性电源和开关电源的电路实测INL

此外还测试并比较了线性电源和开关电源两种情况下一定 时间内的平均输出噪声,如图 5 所示。注意,一定时间内 测得的输出噪声存在细微的偏差。这一偏差不超过 1 LSB , 可能由略为不同的测量设置引入,或两次测量间隔期间的 基准电压漂移引入。

图5.实测平均DAC输出噪声,1000次采样,电表设为NPLC = 1

HART 兼容性


图 1 中的电路要与 HART 兼容,必须符合 HART 物理层规 范。 HART 规范文档中包含了众多物理层规范。为了评估 硬件性能,采用静默期间的输出噪声和模拟变化率测试。

静默期间的输出噪声测试


当 HART 设备没有进行传输 ( 静默 ) 时,噪声不应耦合至网络 上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上的其它设备对 HART 信号的接收。

对于在环路中的 500Ω 负载上测得的电压噪声,其包含的宽带 噪声和 HART 扩展频带中的相关噪声总和不能超过 2.2 mV rms 。 此外, HART 扩展频带外的噪声不应超过 138 mV rms 。

500Ω负载上的噪声采用真均方根测量仪测得。此噪声作为 带外噪声直接进行测量,作为带内噪声通过 HCF_TOOL-31 滤波器测量。还需要使用示波器来检查噪声波形。

图 6 显示捕获的噪声波形,结果总结在表 4 中。

图6.静默波形下的输出噪声

模拟变化率

模拟变化率测试可确保器件调节模拟输出电流时,模拟电 流的最大变化率不会干扰 HART 通信。电流的阶跃变化会 扰乱 HART 信号传输。

最差情况下的模拟输出电流变化一定不能产生高于 15 mV 峰 值电压的干扰,此数值在 HART 扩展频带下,通过对 500Ω 负载进行测量得到。

AD5422 DAC 和输出驱动器相对较快。因此,为了满足所需 的系统规格,输出电流变化受限于使用 AD5422 CAP1 和 CAP2 引脚电容时的硬件压摆率限值,以及 AD5422的数字压摆率 控制特性。详见 AN-1065 应用笔记

使用一个示波器执行该测试,并通过 HCF_TOOL-31 滤波 器耦合至 500Ω负载。

结果如图 7 所示。 4 mA 至 20 mA 输出线路 ( 见图 7 中的蓝线 ) 显 示 4 mA 和 20 mA 之间的周期性步进,直接在 500Ω负载上测 得。滤波器放大 10 倍的输出 ( 见图 7 中的红线 ) 是 HCF_TOOL-31 滤波器输出端捕获的信号,将其放大 10 倍,并处于 150 mV 峰值限制之内

图7.模拟变化率波形

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
AD5700-1 集成精密振荡器的低功耗HART调制解调器 AD5700-1BCPZ-R5
ADP2441 36 V、1 A同步降压DC-DC调节器 ADP2441ACPZ-R7
ADUM3471 隔离式开关稳压器(3/1通道方向性) ADUM3471WARSZ ADUM3471ARSZ ADUM3471WCRSZ ADUM3471CRSZ
ADUM3482 小型、四通道、3.75 KV RMS数字隔离器(2/2通道方向性) ADUM3482ARSZ
评估硬件
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产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
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EVAL-CN0321-SDPZ Fully Isolated, Single Channel Voltage and 4 mA to 20 mA Output with HART $ 150.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board $ 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。
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