AN-1522: 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出模块
电路功能与优势
图1所示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电流输入及单极性输入电压进行数字化处理。仪表放大器AD8220用来对双极性信号进行电平转换，以便向模数转换器(ADC) AD7793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。该电路含有标准外部保护功能，完全符合IEC 61000标准。
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0 V至 5 V、0 V至10 V、4 mA至20 mA和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-0.1 V至+2.9 V）。该电路也可以改用AD8226，其最大输入范围（-0.1 V至+4.1 V）更宽。AD8220对输入信号进行电平转换，并提供增益，使电压范围符合AD7793的输入范围。图1所示电路专门设计用于单极性模拟输入。针对双极性操作（需要双极性电源），我们设计了其他电路板（请参考《模拟对话》文章 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）。
AD8220具有这些应用所需的共模抑制比(CMRR)。跳线（为清晰起见，图1中显示为开关）用来切换硬件中的电流和电压范围，并设置AD8220的增益。例如，当输入设置为接收4 mA至20 mA电流时，开关重新配置为在输入端提供250 Ω负载电阻(R1)，从而提供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。该基准电压信号由与AD7793相同的基准电压源产生，并经过分压以提供0.42 V偏置电压。AD8601缓冲偏置电压，并连接到AD8220的REF引脚。AD8220的REF输入必须采用低阻抗、充分去耦源驱动。
该电路选择ADR441为基准电压源。ADR441的精度规格为0.04%，温漂最大值为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。ADuM5401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。ADuM5401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。该设计使用ADuM5401提供的 5 V电源来为输入模块中的模拟电路供电。ADuM5401使用四条线：三条用于发送（(CS、SCLK和DIN），一条用于接收(DOUT)，这些线与标准串行外设接口(SPI)相连。
在正常工作条件下，AD7793的额定 AVDD为2.7 V至5.25 V。在较轻负载条件下(< 10 mA)，ADuM5401设定点电压可以从4.7 V变为5.4 V。在这种条件下，最大电压对于AD7793的AVDD输入而言过高。为了确保电路在运行期间获取足够的电流，应将一个二极管与AD7793的 AVDD电源串联。
图2显示采用0 V至10 V输入范围并连接一个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。19.5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4.5位闪烁噪声。因此，ADC的无噪声码分辨率为19.5位。就对整体系统误差的贡献而言，测得的4.5位噪声相对于ADC的满量程范围贡献了约0.00014%的误差。AD7793的积分非线性(INL)误差为0.0015%。
该电路是PLC PLC演示系统的一部分。PLC演示系统已根据IEC 61000标准成功进行测试，参见表1（有关外部保护技术的更多讨论，请参考文章PLC评估板简化工业过程控制系统的设计)。
PLC演示系统(V07)初始发布期间进行了样品测试，结果符合表1所列的合规性要求。这些结果为在25°C下测得的典型数据。在这些测试中，数模转换器(DAC)输出连接到ADC输入。DAC输出分别设置为5 V、6 V和10 mA。
| 测试项目 | 说明 | 结果 |
| EN 55022 | 辐射A类，3米电波暗室 | 通过，符合-6 dB裕量要求。 |
| EN 61000-4-2 和 IEC 61000-4-2 |
静电放电(ESD)，±8 kV VCD ESD ±8 kV HCD |
当存在干扰时，输入通道2、输入通道3和输入通道4的最大偏差分别是 -8 ppm、10 ppm和13 ppm。 当存在干扰时，输入通道2、输入通道3和输入通道4的最大偏差分别是 -8 ppm、10 ppm和13 ppm。 |
| EN 61000-4-3 和 IEC 61000-4-3 |
射频电磁场辐射抗扰度80 MHz至
1 GHz (18 V/m)，垂直天线极化 射频电磁场辐射抗扰度80 MHz至 1 GHz (18 V/m)，水平天线极化 |
输入通道2、输入通道3和输入通道4的最大偏差分别是0.05%、0.004%
和-0.13%。干扰消失后性能自动恢复到≤0.05%。B类。 输入通道2、输入通道3和输入通道4的最大偏差分别是-0.09%、0.003% 和-0.02%。干扰消失后性能自动恢复到≤0.05%。B类。 |
| EN 61000-4-4 和 IEC 61000-4-4 |
电快速瞬变(EFT)±4 kV电源端口 EFT ±2 kV模拟输入/输出端口 |
符合B类要求。 符合B类要求。 |
| EN 61000-4-5 和 IEC 61000-4-5 |
电源线突波，±2 kV | 未发生电路板或器件损坏情况，性能未降低，符合A类要求。 |
| EN 61000-4-6 和 IEC 61000-4-6 |
对电源线执行抗扰度测试，
10 V/m、30分钟 对输入/输出线缆执行抗扰度测 试，10 V/m、30分钟 |
输入通道2、输入通道3和输入通道4的最大偏差分别是9.3%、11%和
3.4%。符合B类要求。 输入通道2、输入通道3和输入通道4的最大偏差分别是4.5%、4.7%和 1.4%。干扰停止后性能自动恢复到≤0.05%。 |
参考文献
Mark Cantrell，isoPower器件的辐射控制建议，应用笔记AN-0971，ADI公司。
Chen, Chen Baoxing，2006年。i采用isoPower技术的iCoupler产品：利用微变压器跨越隔离栅实现信号和电源传输，ADI公司。 .
教程MT-004，ADC输入噪声面面观——无噪声是利还是弊？ADI公司。
教程MT-022，ADC架构III：Σ-Δ型ADC基础， ADI公司。
教程MT-023， DC架构IV：Σ-Δ型ADC的高级概念和应用， ADI公司。
Colm Slattery、Derrick Hartmann和Li Ke，2009年。 PLC评估板简化工业过程控制系统的设计， 《模拟对话》，第43卷，ADI公司。
Scott Wayne，2005年。 iCoupler数字隔离器保护RS-232、RS-485和CAN总线，《模拟对话》，第39卷，ADI 公司。