CN0418

工业控制模块中常用几种标准电压和电流范围，包括±5 V、±10 V、0 V至5 V、0 V至10 V、4 mA至20 mA，以及0 mA至20 mA。AD5755-1在全集成、低成本的单芯片解决方案中，以16位分辨率提供所有这些范围。电压输出范围还提供20%的超量程特性。每个DAC通道都有一个增益和失调寄存器，用于消除整个信号链的增益和失调误差。

电流输出和电压输出通过独立引脚提供，给定时间内仅一个输出类型处于有效状态，因而允许将两个输出引脚连在一起并接到单个端口上。当使能电流输出时，电压输出处于三态模式；当使能电压输出时，电流输出为三态模式。模拟输出受短路和开路保护。

AD5755-1支持内部或外部精密电流设置电阻用于电压-电流转换电路，如图2所示。输出电流值在全温度范围内的稳定性取决于电流设置电阻R_SET值的稳定性。作为提高输出电流在整个温度范围内的稳定性的一种方法，可将一个外部15 kΩ低漂移电阻连接到AD5755-1的R_{SET_x}引脚，以取代内部电阻。外部电阻通过DAC控制寄存器进行选择。高精度测量通过两种选项进行评估，详见"电路评估与测试"部分。

精密基准电压源的选择

AD5755-1有一个片内10 ppm/°C（最大值）基准电压源。为了提高在整个温度范围内的性能，该设计采用一个ADR02基准电压源，其最大漂移为3 ppm/°C（B级，SOIC封装）。基准输入端的电压用于为DAC内核提供经缓冲的基准电压。因此，任何基准电压误差都会反应到输出端。

ADR02是一款5 V精密基准电压源，允许高达36 V的输入电压。ADR02的最大精度误差为0.06%，最大温度漂移为3 ppm/°C（B级，SOIC封装）。该漂移在−40°C至+100°C工业温度范围内会贡献大约0.02%误差。

ADR02的长期漂移为50 ppm（典型值），0.1 Hz至10 Hz额定噪声为10 μV p-p（典型值）。

动态功率控制

AD5755-1集成基于DC-DC升压转换器电路的动态功率控制功能，在电流输出模式下可降低功耗。多数PLC电流输出电路都采用一个固定电压源，以满足整个负载电阻值范围内的顺从输出电压要求。例如，在驱动20 mA时，一个负载为750 Ω的4 mA至20 mA环路就要求顺从电压不低于15 V。但在将20 mA驱动至50 Ω负载时，则只需要1 V的顺从电压。如果在驱动50 Ω负载时，15 V的顺从电压保持不变，则会浪费20 mA × 14 V = 280 mW的功率。

AD5755-1电路通过检测输出电压，调节顺从电压，不论负载电阻有多大，只允许少量的裕量电压，由此大幅降低这种功率损失。AD5755-1最多可以将24 mA驱动至1 kΩ的负载。

DC-DC转换器工作原理

AD5755-1内置4个独立的DC-DC转换器，用于为各个通道的V_{BOOST_x}电源电压提供动态控制。图3所示为AD5755-1与各通道相关的外部分立式组件。

建议在C_DCDC之后放置一个10 Ω、100 nF低通RC滤波器。虽然该器件会消耗少量电能，但会减少V_{BOOST_x}电源上的纹波。

DC-DC转换器采用一种恒频、峰值电流模式控制方案，以将4.5 V至5.5 V的A_VCC输入升压，从而驱动AD5755-1输出通道。这些转换器设计用于工作在断续导通模式(DCM)，占空比小于90%（典型值）。

当通道被设置采用电流输出范围时，转换器将V_{BOOST_x}电源的值调节到7.4 V (±5%)或(I_OUT_x × R_LOAD + headroom)，以较高者为准。在电流输出模式下，若输出被禁用，转换器将把V_{BOOST_x}电源调节至7.4 V (±5%)。在电压输出模式下，若输出被禁用，转换器将把V_{BOOST_x}电源调节至15 V (±5%)。有关DC-DC转换器工作情况的详情，请参见AD5755-1数据手册。

数字压摆率控制

AD5755-1的压摆率控制特性允许用户控制输出值的变化速率。这个特性适用于电流和电压输出，支持实现两种重要功能：当输出从低值摆动至高值时，它可以减低来自A_VCC的瞬变电流，它还可以降低对HART通信的干扰。

通过禁用压摆率控制特性，输出值以受输出驱动电路和所连负载限制的速率变化。通过压摆率控制寄存器的SREN位使能压摆率特性后，输出以压摆率控制寄存器可以访问的SR_CLOCK和SR_STEP两个参数所定义的速率，在两个电平值之间摆动。

在以下等式中，压摆率为步长、更新时钟频率和LSB大小的函数：

其中：
压摆时间用秒表示。
输出变化表示为A（针对 I_{OUT_x}) 或V（针对 V_{OUT_x})。
更多信息请参考AD5755-1数据手册。

瞬态电压保护

AD5755-1内置ESD保护二极管，可防止器件在一般工作条件下受损。但是，工业控制环境可能会使输入/输出(I/O)电路遭受高得多的电压瞬变。为了防止AD5755-1受到过高的电压瞬变，需要把一个24 V瞬变电压抑制器(TVS)置于I_{OUT_x}/V_{OUT_x}连接上，如图4所示。

为提供进一步保护，I_{OUT_x}和V_{OUT_x}引脚与V_{BOOST_x}和AV_SS电源引脚之间连接有钳位二极管。另外还使用一个5 kΩ限流电阻，它与+V_{SENSE_x}输入端串联，用以将瞬变事件期间的电流限制在合理范围内。AD5700 HART调制解调器建议采用包含150 kΩ电阻的外部带通滤波器，这样可以将电流限制在足够低的水平，如此便无需采用额外的保护电路，即使在最严苛的工业环境下也是如此。

输入电源保护

通过一个2线或3线接口，把一个稳压工业标准电源（例如12 V或24 V直流电源）连接到EVAL-CN0418-ARDZ电路板。该电源必须采取故障和电磁干扰(EMI)保护措施，如图5所示。

VR1、VR2、VR3和VR4是金属氧化物压敏电阻浪涌抑制器，F1是1 A可复位保险丝。该电路确保参考设计系统能够承受电源端口可能产生的干扰和瞬变。参考《模拟对话》43-04，2009年4月发布的PLC评估板简化工业过程控制系统的设计，了解更多信息。

电源电路

EVAL-CN0418-ARDZ板由12 V至36 V直流供电，利用板载开关稳压器向平台板提供7.5 V电源，如图6和图7所示。在测试设置中，EVAL-ADICUP3029板的供电电源为7.5V。然后，EVAL-ADICUP3029板为IO_VREF引脚（参考图7）提供3.3 V调节电压，为其余电路提供5 V电压。

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。ADP2441将输入电压降至7.5 V（1 A）用于平台板，并利用Arduino兼容平台通常带有的5 V稳压器为EVAL-CN0418-ARDZ其余部分提供5 V 电源。电路在24V电源端还提供了滤波和保护功能。

ADP2441的开关频率很高，因此，即使只用小型电感，输出电压的纹波也非常小。电感的大小需权衡效率和瞬态响应决定。小型电感会引起较大的电感电流纹波，能提供更出色的瞬态响应，但会降低系统效率。由于ADP2441的开关频率非常高，因此建议使用低磁芯损耗、低EMI的屏蔽铁氧体磁芯电感。

在图6所示电路中，外部电阻为162 kΩ时的开关频率约为550 kHz。根据ADP2441数据手册选择33 μH的电感值。该电路通过螺丝端子连接到12 V至36 V的现场电源。EARTH端子可以连接到外部大地连接，如若未使用外部大地连接，则可连接到GND端子。功率电感、压敏电阻、功率二极管和1.1 A保险丝为高压瞬变事件提供额外的输入保护。

隔离电源由LT8301非光学隔离反激式转换器产生。具有4抽头二次绕组的变压器提供隔离，并产生+16 V、−16 V和+5 V电源。通过对原边反激式波形采样来调节输出电压，无需采用光学隔离器、辅助检测绕组或其他隔离反馈方法。

LT8301被用于调节多重输出电路中负载最大的输出。AD5755-1给出了+16 V电源、−16 V电源和+5 V供电轨的一系列加载条件。表1显示在各种负载条件下，满足AD5755-1要求的电源电压。

AD5755-1具有较宽的电源电压范围，但将电路集成到客户系统之前，必须先对其实施全面评估。验证LT8301在所有正常负载、故障条件下，以及在预期的输入电源电压范围内，在AD5755-1数据手册列出的允许范围内，保持隔离电源调节。

HART耦合

AD5755-1有四个CHARTx引脚，分别对应于四个输出通道。HART信号可以耦合至这些引脚，并出现在对应的电流输出端（如果该输出已使能）。表2给出了CHARTx引脚上的HART信号的推荐输入电压。如果使用这些电压，电流输出应符合HART幅度要求。图8所示为将HART信号衰减和耦合至AD5755-1 HART输入的推荐电路。

为了确保1.2 kHz和2.2 kHz HART频率不会在输出端大幅衰减，C1 + C2必须达到某一最小值。推荐值为：C1 = 22 nF，C2 = 47 nF。为了达到HART的模拟变化速率要求，必须以数字方式控制输出的压摆率。

数字隔离

ADuM3151和ADuM3482为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)。隔离器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。此设计中的ADuM3151隔离来自AD5755-1的SPI信号和和管控ADG759四通道多路复用器地址行的GPIO信号，ADUM3482则隔离AD5700-1 HART调制解调器的UART信号。拼接电容是通过重叠内部平面在印刷电路板(PCB)内部实现的，以减少EMI辐射和板噪声。有关EMI缓解技术的更多信息，请参考AN-0971应用笔记"isoPower器件的辐射控制建议"。

INL和DNL性能

使用变压器隔离开关电源，测试AD5755-1的积分非线性(INL)，如图9所示。AD5755-1数据手册将电流输出和电压输出在整个温度范围内的INL都规定为±0.006% FSR，无论采用的是内部RSET还是外部R_SET。图9和图10显示，实测结果完全在该规定范围之内。

绝对精度性能

在电流输出模式下，使用内部R_SET时，AD5755-1的总非调整误差(TUE)为±0.11% FSR（最大值，25°C）。ADR02参考（B级）的总误差为0.06%（最大值，25°C）。

表3所示为通道A电路在4 mA至20 mA范围内的实测电流输出误差，其中，负载为500 Ω，使用的是内部R_SET。表3总结通道A的结果（使用内部R_SET），但它可代表所有4个通道。全部结果均位于预期值范围内。

对电压输出模式进行了类似的测量，其中AD5755-1 TUE额定值为±0.03% FSR（最大值，25°C）。表4所示为通道A的结果。剩下的三个通道结果与其相似。

HART兼容性

图11所示为在500 Ω负载电阻、I_{OUT_A}上测得的1200 Hz和2200 Hz频移键控(FSK)频率。通道1显示耦合至AD5755-1输出中的调制HART信号（设置为4 mA），通道2显示AD5700-1 TXD信号。

要与HART兼容，电路必须符合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，本电路笔记中考虑的两项规格为静默期间的输出噪声和模拟变化率。

静默期间的输出噪声测试

当HART器件没有进行传输（静默）时，不应将HART扩展频带中噪声耦合到网络上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上其它设备对HART信号的接收。

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

此噪声通过在500 Ω负载上连接HCF_TOOL-31滤波器（可从HART通信基金会获得）并将滤波器输出连接到真均方根测量仪来测量。用示波器来检查输出波形。

模拟变化率

这一技术规范可确保当设备调节电流时，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。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500 Ω负载进行测量得到。符合这一要求可确保模拟信号的最大带宽处于规定的直流至25 Hz频带中。

对于该测试，HCF_TOOL-31再次连接500 Ω负载，就如静默期间噪声测试中一样；同时将一个示波器连接至其输出端。这次，不是将AD5755-1输出设为一个固定的输出电流，而是将AD5755-1编程为输出周期波形，从4 mA切换至20 mA。为了达到要求的系统规格，通过AD5755-1的数字压摆率控制功能对输出电流变化幅度进行限制。关于此特性的详细说明，请参阅AD5755-1数据手册。在该测试中，SR_CLOCK和SR_STEP分别设为64 kHz和16 LSB，得到64 ms的压摆时间。结果如图13所示。通道1显示AD5755-1 I_{OUT_A}在4 mA至20 mA范围内的信号阶跃，这是在500 Ω负载下检测的，并且连接到带通滤波器的输入端。滤波器的输出（增益系数为10）可在通道2上看到。峰值在前面提到的150 mV峰值限值之内。