Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

• Схема
• Спецификация
• Файлы Gerber
• Файлы маршрутизации печатной платы
• Сборочный чертеж
•  Загрузить файлы проектов 1.33 M

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • DEMO-AD7124-DZ ($90.00) Isolated 4 mA to 20 mA/HART Temperature and Pressure Industrial Transmitter
Проверка наличия и приобретение

Особенности и преимущества

  • Изолированный полевой прибор с токовой петлей 4-20 мА
  • Передатчик HART
  • Питание от петли
  • Входы для сигналов температуры и давления

Продукты

Области применения и технологии

Продукты

Функции и преимущества схемы

Схема, показанная на рисунке 1, представляет собой изолированный интеллектуальный промышленный полевой прибор, который может работать со многими типами аналоговых датчиков, таких как датчики температуры (Pt100, Pt1000 и термопары) или мостовые датчики давления. Этот прибор передает данные посредством аналоговой токовой петли 4-20 мА и интерфейса HART®. HART представляет собой цифровой интерфейс двухсторонней связи, в котором сигнал с амплитудно-частотной манипуляцией (FSK) 1 мА модулируется поверх стандартного аналогового сигнала токовой петли 4–20 мА. Интерфейс HART позволяет реализовать такие функции, как удаленная калибровка, поиск неисправностей и передача переменных процесса, что необходимо в таких областях применения, как системы контроля температуры и давления.

В данной схеме используется прецизионный 24-разрядный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь (АЦП) AD7124-4 со сверхнизким энергопотреблением, который содержит в себе все функции, необходимые для реализации систем измерения температуры и давления. Эта схема также содержит 16-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) AD5421с питанием от токовой петли 4-20 мА, HART-модем AD5700, обладающий самым низким энергопотреблением и наименьшей занимаемой площадью в отрасли, цифровой изолятор ADuM1441со сверхнизким энергопотреблением для изоляции линий последовательного периферийного интерфейса (SPI), КМОП-ключ ADG5433, а также малопотребляющий стабилизатор напряжения ADP162 на 3,3 В в изолированной цепи питания.

Рисунок 1. Полевой прибор с питанием от токовой петли 4-20 мА и интерфейсом HART (упрощенная схема: все соединения и развязка не показаны)

Описание схемы

Аналоговый входной интерфейс

AD7124-4 представляет собой малопотребляющий, малошумящий, полностью интегрированный аналоговый входной интерфейс для прецизионных измерительных систем. Данное устройство содержит малошумящий 24-битный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и может быть сконфигурирован либо на работу с четырьмя дифференциальными входами, либо с семью несимметричными или псевдодифференциальными входами. Встроенный каскад усиления с низким уровнем шума позволяет подключать источник сигналов небольшой амплитуды непосредственно к АЦП.

Одним из основных преимуществ AD7124-4 является то, что он позволяет пользователю выбрать один из трех интегрированных режимов энергопотребления. Выбранный режим определяет потребляемый ток, диапазон скоростей обновления выходных данных и среднеквадратическое значение шума. Данное устройство также предлагает на выбор несколько вариантов фильтров, что еще больше повышает универсальность разработки.

AD7124-4 также может обеспечивать одновременное подавление сетевых помех 50 Гц и 60 Гц при работе с частотой обновления выходных данных 25 SPS (установление сигнала за один цикл).

AD7124-4 характеризуется высочайшей степенью интеграции элементов сигнальной цепи. Это устройство содержит в себе прецизионный, малощумящий источник опорного напряжения с малым дрейфом, а также поддерживает работу с внешним дифференциальным опорным напряжением, которое может быть буферизировано с помощью внутреннего буфера. К другим ключевым интегрированным блокам компонента относятся программируемые источники тока возбуждения с малым дрейфом, источники диагностических токов, а также генератор напряжения смещения, который устанавливает синфазное напряжение канала равным AVDD/2. Ключ цепи низкого напряжения питания позволяет пользователям отключать питание мостовых датчиков в интервалах между преобразованиями, обеспечивая наименьшее энергопотребление. Компонент также даёт пользователю возможность выбора между внутренним и внешним источником тактового сигнала.

Интегрированный блок управления последовательностью преобразования позволяет пользователю выбирать несколько каналов AD7124-4 для автоматического последовательного преобразования, упрощая обмен данными с компонентом. Одновременно может быть активно до 16 каналов, включая как каналы аналоговых входных сигналов, так и диагностические каналы, например, каналы контроля уровней напряжения питания или опорного напряжения. Эта уникальная особенность позволяет чередовать диагностику с преобразованиями сигналов внешних источников. AD7124-4 поддерживает независимое конфигурирование каждого отдельного канала. Компонент позволяет реализовать до восьми конфигурационных настроек. Каждая конфигурация включает в себя варианты изменения коэффициента усиления, типа фильтра, частоты обновления выходных данных, буферизации и источника опорного напряжения. Пользователь может назначать любую из этих конфигураций любому из каналов.

AD7124-4 также обладает широкими возможностями функциональной диагностики, которая является частью набора функций этого компонента. Они включают в себя возможности проверки данных с использованием контрольной суммы (CRC), возможности проверки сигнальной цепочки и возможности проверки работоспособности последовательного интерфейса, что дает возможность реализовать более надежное решение. Эти диагностические функции позволяют уменьшить количество внешних компонентов, необходимых для реализации диагностики, благодаря чему сокращается требуемое пространство на печатной плате, время проектирования и стоимость. Значение доли безопасных отказов (SFF), показанное в тесте FMEDA (анализ видов, эффектов и диагностики отказов) для стандартного варианта применения, превышает 90% в соответствии с IEC 61508.


Входы для подключения датчиков

Данная схема может работать с 3-проводными и 4-проводными резистивными датчиками температуры (RTD), термопарами и датчиками давления, которые можно подключать через 8-контактный разъем. AD7124-4 имеет все функциональные элементы, необходимые для получения данных от этих датчиков. При работе с любыми типами датчиков АЦП в данном случае функционирует в режиме среднего энергопотребления. При этом также используется фильтр, который обеспечивает одновременное подавление сетевых помех 50 Гц и 60 Гц при преобразовании со скоростью 25 SPS. После подключения датчика к цепи, АЦП настраивается в соответствии с типом подключенного датчика. Также может быть выполнена внутренняя калибровка полного диапазона и смещения с целью минимизации ошибки смещения и ошибки полного диапазона. Калибровка инициируется по команде через интерфейс UART или интерфейс HART.

AD7124-4 имеет несколько встроенных средств диагностики, которые позволяют повысить надежность конечного устройства. В данной схеме функция обнаружения обрыва провода гарантирует целостность проводного соединения с датчиками, а состояние сброса при включении питания (POR) непрерывно отслеживается в регистре состояния, чтобы пользователь был проинформирован при возникновении сброса при включении питания. Состояние регистра ошибок считывается при каждом преобразовании, и его содержимое отправляется по интерфейсу HART вместе с выходными данными датчика.

RTD

Резистивный датчик температуры (RTD) может измерять температуру в диапазоне от –200 °C до +600 °C. Наиболее распространенными моделями таких датчиков являются Pt100 и Pt1000, которые сделаны из платины. В данном случае к схеме подключен датчик Pt100.

4-проводный RTD

На рисунке 2 показано, как 4-проводный датчик Pt100 подключается к цепи.

Рисунок 2. 4-проводный RTD

Один из источников тока возбуждения в микросхеме AD7124-4 обеспечивает сигнал возбуждения Pt100. Максимальное сопротивление Pt100 составляет 313,71 Ом (при 600 °C). Если ток возбуждения установлен на 250 мкА, максимальное напряжение, генерируемое на Pt100, составит

CN0382 Equation A

Если коэффициент усиления матрицы с программируемым усилением (PGA) будет установлен на 16, максимальное напряжение на входе модулятора будет равно

CN0382 Equation B

С помощью прецизионного резистора 5,6 кОм (0,05%, 10 ppm/°С) формируется опорное напряжение. Значение опорного резистора RREF выбирается таким образом, чтобы напряжение, генерируемое на нем, имело минимальное значение 1,25 В, то есть напряжение на входе модулятора в зависимости от аналогового входного сигнала было бы меньше или равно опорному напряжению. Ток 250 мкА, который подается на Pt100, также протекает через резистор 5,6 кОм, что свидетельствует об относительном (ратиометрическом) характере выходного сигнала. Таким образом, любое изменение тока возбуждения не влияет на работу схемы. Напряжение, генерируемое на прецизионном резисторе, равно

CN0382 Equation C

Антиалайзинговые фильтры установлены на входе аналогового сигнала и входе опорного сигнала. Эти фильтры подавляют любые помехи, кратные наложению частоты дискретизации модулятора на интересующую полосу. Также имеются буферы опорного сигнала, которые гарантируют, что эти фильтры и внешние резисторы не приведут к появлению ошибок усиления. Буферы аналогового входного сигнала включаются автоматически, потому что эти буферы всегда активируются при использовании PGA. Для буферов опорного сигнала требуется некоторый запас по напряжению (100 мВ относительно положительной и отрицательной шин питания). В связи с этим на землю был подключен резистор 470 Ом, который обеспечивает данный запас.

Для обеспечения тока возбуждения 250 мкА требуется запас в 370 мВ. Напряжение на этом выводе равно (470 + 5600 + 313,71) Ом × 250 мкА = 1,6 В, что является приемлемой величиной.

Линии AIN4 и AIN5 используются в качестве входов аналогового сигнала AINP и AINM.

Резисторы 1 кОм на выводах разъема имеют двойное назначение: они являются составляющими элементами антиалайзинговых фильтров, а также защищают аналоговые входы в случае перенапряжения (например, из-за неправильного подключения).

В схемотехнических указаниях CN-0381 представлены дополнительные сведения о подключении 4-проводных датчиков Pt100 к AD7124-4, а также о линеаризации или последующей обработке преобразований.

Схема, представленная на рисунке 1, также может работать с 4-проводными датчиками Pt1000. Схема подключения будет такой же, как и для Pt100. Конфигурация АЦП при этом также будет аналогична конфигурации, описанной ранее в этом разделе, но с той лишь разницей, что коэффициент усиления PGA будет равен 1.

3-проводный RTD

На рисунке 3 представлена схема подключения 3-проводного датчика Pt100.

Рисунок 3. 3-проводный RTD

AD7124-4 имеет два согласованных источника тока возбуждения. Они оба используются при работе с 3-проводным резистивным датчиком температуры с целью осуществления компенсации сопротивления проводов. Поскольку максимальное сопротивление Pt100 составляет 313,71 Ом (при 600 °C), токи возбуждения устанавливаются на 250 мкА. Опорный резистор RREF подтягивается к питанию. В результате один источник тока возбуждения 250 мкА (IOUT0) подключается к выводу AIN6 и выдает ток, который проходит через прецизионный опорный резистор 5,6 кОм (0,05%, 10 ppm/°C), а затем через Pt100. Второй источник тока 250 мкА (IOUT1) подключается к выводу AIN7. Ток этого источника генерирует напряжение из-за наличия сопротивления проводов, которое противоположно напряжению, генерируемому вследствие наличия сопротивления проводов током от источника с выводом AIN6. В результате этого погрешность из-за сопротивления проводов сводится к минимуму.

Напряжение, генерируемое при прохождении тока через опорный резистор 5,6 кОм равно:

CN0382 Equation D

Максимальное напряжение, генерируемое при прохождении тока через Pt100, составляет:

CN0382 Equation E

При установке коэффициента усиления PGA на 16 напряжение на модуляторе AD7124-4 будет равно:

CN0382 Equation F

Это напряжение находится в пределах допустимого диапазона, так как оно меньше, чем опорное напряжение.

Антиалайзинговые фильтры установлены на входе аналогового сигнала и входе опорного сигнала. Эти фильтры подавляют любые помехи, кратные наложению частоты дискретизации модулятора на интересующую полосу. Также имеются буферы опорного сигнала, которые гарантируют, что эти фильтры и внешние резисторы не приводят к появлению ошибок усиления. Буферы аналогового входного сигнала включаются автоматически, потому что эти буферы всегда активируются при использовании PGA. Для буферов опорного сигнала требуется некоторый запас по напряжению (100 мВ относительно положительной и отрицательной шин питания). В связи с этим на землю был подключен резистор 470 Ом, который обеспечивает данный запас.

Для обеспечения тока возбуждения 250 мкА требуется запас в 370 мВ. Напряжение на этом выводе равно (470 Ом × 2 × 250 мкА) + (5600 + 313,71) Ом × 250 мкА = 1,713 В, что является приемлемой величиной.

В схемотехнических указаниях CN-0383 представлены дополнительные сведения о подключении 3-проводных датчиков Pt100 к AD7124-4, а также о линеаризации или последующей обработке преобразований.

Схема, представленная на рисунке 1, также может работать с 3-проводными датчиками Pt1000. Схема подключения будет такой же, как и для Pt100. Конфигурация АЦП при этом также будет аналогична конфигурации, описанной ранее в этом разделе, но с той лишь разницей, что коэффициент усиления PGA будет равен 1.

Термопара

На рисунке 4 представлена схема подключения термопары.

Рисунок 4. Термопара T-типа

Термопара представляет собой соединение двух разных типов проводов. В результате в точке спая создается напряжение, зависящее от температуры. Например, термопара T-типа генерирует напряжение 40 мкВ, как правило, при изменении температуры на 1 °C.

Напряжение термопары должно быть смещено относительно напряжения системы. AD7124-4 содержит источник VBIAS, который смещает напряжение термопары на (AVDD - AVSS)/2. Напряжение смещения генерируется на канале AIN6 и подается на термопару, как показано на рисунке 4. Напряжение смещения также можно генерировать на линии аналогового входа AINM. Однако в этом случае сопротивления и емкости внешних резисторов и конденсаторов должны быть ограничены, так как напряжение смещения, генерируемое на AINM, и отфильтрованное напряжение, присутствующее на AINP, будут отличаться, причем эта разница будет достаточно велика и повлияет на результат преобразования.

Результат измерения температуры с помощью термопары является абсолютным, и в связи с этим для осуществления преобразования используется встроенный ИОН на 2,5 В. В данном случае используется термопара T-типа. Эта термопара может измерять температуру в диапазоне от -200 °C до +400 °C, вследствие чего диапазон изменения напряжения термопары в процессе измерения составит от -8 мВ до +16 мВ. Коэффициент усиления PGA установлен на 128.

Для компенсации холодного спая используется NTC-термистор (10 кОм, 1%, 3435 К).

Рисунок 5. Термистор

Питание термистора осуществляется с помощью внутреннего опорного напряжения, коэффициент усиления для осуществления преобразования в данном случае равен 1.

CN0382 Equation G

Здесь:

VREF  – опорное напряжение
ADCCODE – это код, считанный с AD7124-4
224 – максимальный размер кода, определяемый разрешением АЦ

Сопротивление термистора RNTC равно:

CN0382 Equation H

Здесь:

RREF = 5.6 кОм
VREF – опорное напряжение

Объединив эти уравнения, получим:

CN0382 Equation I

Здесь:

ADCCODE – код, считанный с AD7124-4
RREF = 5.6 кОм
FSCODE – максимальный размер кода, определяемый разрешением AD7124-4 (224)

Далее в микроконтроллере значение сопротивления преобразуется в значение температуры с использованием таблицы преобразования на основе уравнения термистора.

CN0382 Equation J

Здесь:

T – температура, зарегистрированная термистором (K)
R0 = 10 кОм
β = 3435 K
T0 = 298.15 K

Окончательная температура в °C будет равна T - 273,15.

Резистор 5,6 кОм также обеспечивает запас по напряжению для аналогового входа, поскольку в данном случае активированы буферы аналогового входа, и для них требуется запас 100 мВ. Этот резистор также защищает цепь, так как он сможет ограничить ток в случае неправильного подключения.

В схемотехнических указаниях CN-0384 CN-0384 представлены дополнительные сведения о подключении термопары к AD7124-4, а также о линеаризации или последующей обработке преобразований.

Датчик давления

Датчик давления, возбуждаемый напряжением, может быть подключен в соответствии со схемой, показанной на рисунке 6, а датчик давления, возбуждаемый током, можно подключить по схеме, представленной на рисунке 7. В данном случае используется датчик давления компании Honeywell (Honeywell S&C 24PCDFA6D).

Рисунок 6. Датчик давления, возбуждаемый напряжением

Рисунок 7. Датчик давления, возбуждаемый током

В случае с архитектурой, возбуждаемой напряжением, в качестве напряжения возбуждения используется AVDD (3,3 В). Если AVDD используется для возбуждения тензодатчика, в качестве напряжение возбуждения может быть использовано непосредственно опорное напряжение АЦП. Обратите внимание, что как в цепь нижнего плеча датчика, так и в цепь его верхнего плеча были добавлены резисторы с целью обеспечения запаса по напряжению буферов AD7124-4. Коэффициент усиления в данном случае равен 16.

В случае с возбуждением током оба тока возбуждения 100 мкА выходят из линии AIN6, в результате чего общий ток возбуждения датчика становится равным 200 мкА. Здесь также коэффициент усиления равен 16. С помощью прецизионного резистора 5,6 кОм генерируется опорное напряжение. Такая схема свидетельствует об относительном (ратиометрическом) характере выходного сигнала, то есть любое изменение тока возбуждения не влияет на работу схемы.

На печатной плате предусмотрена возможность подключения нижнего плеча датчика к GND или к линии питания AD7124-4.

Как указывалось ранее, входы аналоговых и опорных сигналов имеют антиалайзинговые фильтры для подавления любых помех, возникающих на частотах, кратных частоте дискретизации АЦП. Последовательно включенные резисторы также ограничивают ток при возникновении перенапряжения.

Моделирование работы основного датчика

Схема включает в себя резистивную цепь и потенциометр, которые позволяют моделировать работу датчика (схема моделирования работы основного датчика, показанная на рисунке 1). С помощью потенциометра, напряжение между AIN0 (AINP) и AIN1 (AINM) можно изменять в диапазоне от приблизительно -0,09 В до приблизительно 1,36 В. Для организации преобразования в данной схеме используется встроенный источник опорного напряжения. Коэффициент усиления AD7124-4 в данном случае установлен на 1, при этом включены буферы аналоговых  входных сигналов. Такая конфигурация позволяет пользователю оценить работу схемы без необходимости подключения внешнего датчика..


Цифровая обработка данных, алгоритм и организация связи

Демонстрационное программное обеспечение (включенное в пакет поддержки проектирования CN-0382) выполняет инициализацию и настройку, обрабатывает данные с аналоговых входов, управляет аналоговым выходом и осуществляет обмен данными по интерфейсу HART. Для всех упомянутых датчиков требуется линеаризация или компенсация. Эта линеаризация выполняется в программном обеспечении. Для получения дополнительных сведений о работе с резистивными датчиками температуры и термопарами и требуемой линеаризации ознакомьтесь со схемотехническими указаниями Circuit Note CN-0381, Circuit Note CN-0383 и Circuit Note CN-0384.


Аналоговый выход

AD5421 имеет в своем составе малопотребляющий прецизионный 16-разрядный ЦАП и выходной драйвер токовой петли 4-20 мА и реализует все функции, необходимые для обеспечения аналогового выхода полевого прибора.

AD5421 обменивается данными с микроконтроллером через интерфейс SPI.

AD5421 также имеет ряд диагностических функций, обеспечивающих диагностику работы токовой петли 4-20 мА. Встроенный вспомогательный АЦП может измерять напряжение на линиях петли прибора через резистивный делитель, состоящий из резисторов 20 МОм и 1 МОм, который подключен к выводу VLOOP. Этот АЦП также может измерять температуру микросхемы, считывая данные со встроенного датчика температуры. Микроконтроллер может настраивать AD5421 и считывать все диагностические данные этой микросхемы, впрочем, AD5421 также может работать автономно.

Программное обеспечение контролирует любое изменение выходного тока при считывании каждого значения, чтобы предотвратить нарушение связи по интерфейсу HART.


Связь по интерфейсу HART

В AD5700 встроен полноценный модем HART FSK. Этот модем подключается к микроконтроллеру через стандартный интерфейс UART, дополненный сигналами запроса на отправку (RTS) и обнаружения несущей (CD).

Выходной сигнал HART масштабируется до необходимой амплитуды с помощью емкостного делителя, состоящего из конденсаторов 0,068 мкФ и 0,22 мкФ, и заводится на линию CIN микросхемы AD5421, где он объединяется с выходным сигналом ЦАП с целью управления и модуляции выходного тока.

Входной сигнал HART от LOOP+ через простой пассивный RC-фильтр заходит на линию ADC_IP микросхемы AD5700. RC-фильтр работает в качестве полосового фильтра для демодулятора HART, а также улучшает устойчивость системы к электромагнитным помехам, что особенно важно для отказоустойчивых систем, работающих в жестких промышленных условиях.

Малопотребляющий генератор AD5700 генерирует сигналы тактовой частоты для HART-модема с помощью внешнего кварцевого резонатора 3,6864 МГц, подключенного непосредственно к выводам XTAL1 и XTAL2.


Защита выхода

Супрессор (TVS-диод) защищает токовую петлю 4-20 мА от перенапряжения. Для обеспечения надежной защиты следует выбрать номинальное напряжение TVS-диода так, чтобы не превышалось абсолютное максимальное напряжение AD5421 на выводе REGIN, которое равно 60 В. Обратите внимание, что ток утечки TVS-диода может повлиять на точность выходного тока, поэтому при выборе этого компонента обратите внимание на ток утечки при заданном напряжении петли и диапазоне температур.

С AD5421 можно использовать внешний полевой транзистор с обедненным каналом с целью увеличения максимального напряжения токовой петли.

Данная схема защищена от приложения напряжения обратной полярности за счет использования двух диодов, включенных последовательно с выходными линиями петли.

Ферритовые бусинки, включенные последовательно с выходными линиями петли, вместе с конденсатором 4700 пФ позволяют повысить устойчивость системы к электромагнитным помехам. Из-за технических характеристик сети HART на линиях петли не следует использовать более высокую емкость.

Стабилитрон 4,7 В, характеризующийся малой утечкой, защищает встроенный в микросхему AD5421 измерительный резистор 50 Ом в случае возникновения скачка напряжения между линией COM микросхемы AD5421 и линией LOOP- (например, при отладке схемы).


Источники питания и управление питанием

Вся электрическая схема полевого прибора, в том числе источники тока возбуждения датчика, должна работать при ограниченном количестве энергии, доступной от токовой петли 4-20 мА. Это стандартная задача при проектировании любого полевого прибора с питанием от токовой петли. На схеме рисунка 1 представлен пример решения как для малопотребляющих, так и для высопроизводительных систем. Все микросхемы, задействованные в данном примере, характеризуются низким энергопотреблением, и в этой схеме используются их встроенные функции для реализации универсальной структуры управления питанием и оптимального решения с питанием от токовой петли.

AD5421 питается от токовой петли 4-20 мА и обеспечивает стабилизированное низкое напряжение для остальных компонентов схемы. Напряжение на линии REGOUT микросхемы AD5421 может программно настраиваться в диапазоне от 1,8 В до 12 В в зависимости от требований схемы. В схеме на рисунке 1 используется вариант с напряжением питания 9 В. Цепь датчика изолирована от цепи токовой петли 4-20 мА с помощью простого двухтактного DC/DC преобразователя. Микроконтроллер синхронизирует работу ключа ADG5433, который генерирует неперекрывающиеся прямоугольные сигналы напряжением 9 В для управления трансформатором. Коэффициент преобразования напряжения трансформатора составляет 2:1. Напряжение на вторичной обмотке, равное 4,5 В, выпрямляется и стабилизируется с помощью ADP162, который образует малошумящий источник питания 3,3 В для AD7124-4. И аналоговые, и цифровые блоки AD7124-4 питаются от стабилизатора ADP162. Тем не менее, здесь также используется фильтр, состоящий из дросселя L1 и резистора R19, чтобы предотвратить влияние шума от цифровых схем на аналоговые блоки.

AD5421 обеспечивает напряжение питание 3,3 В для цифровых схем в цепи токовой петли. Это напряжение питания используется непосредственно микроконтроллером и AD5700.

RC-фильтр на выводе REGOUT, состоящий из двух конденсаторов 10 мкФ и резистора 10 Ом, позволяет подавить любые помехи от токовой петли, которые могут повлиять на работу аналоговой схемы. Он также подавляет любые помехи, создаваемые элементами схемы, в частности контроллером и цифровой схемой, которые могут накладываться на сигналы токовой петли, что очень важно для обеспечения надежной связи по интерфейсу HART.

HART-модем AD5700 получает питание через дополнительный RC-фильтр, состоящий из резистора 470 Ом и конденсатора 1 мкФ. Этот фильтр очень важен в системах с питанием от петли, поскольку он предотвращает наложение токового шума от AD5700 на выходной сигнал токовой петли 4-20 мА, что может сильно повлиять на качество связи по HART. Для тактирования модема AD5700 используется подключенный к выводам XTAL1 и XTAL2 внешний резонатор с конденсаторами 8,2 пФ, которые также подключены к шине заземления, что является вариантом, обеспечивающим наименьшее энергопотребление.

Одним из основных преимуществ AD7124-4 является то, что этот АЦП обеспечивает универсальность в плане использования одного из трех интегрированных режимов энергопотребления. Выбранный режим определяет потребляемый ток, диапазон скоростей обновления выходных данных и среднеквадратическое значение шума. Для портативного оборудования или приборов с питанием от токовой петли 4-20 мА оптимальным выбором будет режим низкого или среднего энергопотребления. Для систем управления технологическим процессом, которые не испытывают недостатка в энергии, можно использовать режим высокого энергопотребления, который позволяет значительно снизить уровень шума. Для этой схемы с питанием от токовой петли используется режим среднего энергопотребления. Для получения дополнительной информации о режимах энергопотребления ознакомьтесь с документацией на AD7124-4.

Вывод PSW с заземляющим ключом микросхемы AD7124-4 позволяет управлять источником возбуждения/питания при работе с датчиком давления. При включении прибора этот ключ по умолчанию находится в разомкнутом состоянии. Это состояние по умолчанию позволяет перед включением датчика полностью настроить систему, в том числе настроить соответствующий режим энергопотребления, и в конечном итоге оно позволяет минимизировать любые возможные скачки напряжения на выходе токовой петли при включении прибора.

При работе с резистивным датчиком температуры этот датчик питается от программируемого источника тока AD7124-4, поэтому его питание полностью контролируется программным обеспечением. Аналогичным образом в случае с термопарами источники напряжения смещения и опорного напряжения встроены в AD7124-4, поэтому они также управляются программным образом.


Программное обеспечение

Микроконтроллер взаимодействует с AD7124-4 и AD5421 посредством интерфейса SPI. Он обменивается данными с AD5700 через интерфейс UART, а именно UART0. Программное обеспечение загружается в микроконтроллер через второй интерфейс UART микроконтроллера, а именно UART1.

После включения питания микроконтроллер настраивает все три устройства, AD7124-4 настраивается для работы с термопарой Т-типа. AD7124-4 работает в режиме непрерывного преобразования. Вследствие этого вывод DOUT/RDY данной микросхемы также подключен к линии прерывания микроконтроллера. Каждый раз, когда АЦП заканчивает преобразование и делает его результат доступным, для микроконтроллера генерируется прерывание, во время которого он считает этот результат преобразования. Затем микроконтроллер линеаризует и обрабатывает данные. Результат обработки отправляется в ЦАП AD5421 для его передачи по токовой петле 4-20 мА. Программное обеспечение, используемое для демонстрации функциональности и возможностей схемы, содержится в пакете поддержки проектирования CN-0382. Это программное обеспечение поддерживает работу со всеми типами датчиков, упомянутых в этом схемотехническом указании. Документация по изменению программного обеспечения для работы с различными типами датчиков и подробные сведения о загрузке программного обеспечения в микроконтроллер также представлены в пакете поддержки проектирования CN-0382.

Пример кода включает в себя возможности ответа ведомого на основные команды протокола HART с целью демонстрации функциональности и возможностей аппаратной части. Впрочем, этот пример кода не включает уровни протокола связи HART.

Основные варианты исполнения

AD7124-4 имеет высокие рабочие характеристики и настраиваемый внешний аналоговый интерфейс с четырьмя дифференциальными или семью псевдодифференциальными аналоговыми входами и дополнительными линиями для опорного напряжения и ключа нижнего плеча. Он позволяет напрямую подключать несколько аналоговых датчиков различных типов, такие как резистивные мостовые датчики, резистивные датчики температуры или термопары. В связи с этим при разработке полевого прибора не стоит ограничиваться использованием только тех типов датчиков, которые были приведены в данном документе, поскольку это решение может быть использовано совместно с практически любыми датчиками, предназначенными для применения с полевыми приборами.

В качестве альтернативы AD7124-4 можно использовать AD7124-8. Обе эти микросхемы имеют одинаковые рабочие характеристики. Основным отличием является то, что в AD7124-8 имеется 8 дифференциальных или 15 псевдодифференциальных входов, и поэтому данная микросхема подходит для систем, в которых необходима реализация большого количества каналов.

AD5421 можно подключить через средства защиты непосредственно к токовой петле. В качестве альтернативного решения между AD5421 и источником питания петли можно подключить N-канальный МОП-транзистор с обедненным каналом, как показано на рисунке 8. Использование дополнительного МОП-транзистора с такой схемой подключения поддерживает падение напряжения на AD5421 на уровне примерно 12 В, что снижает мощность, рассеиваемую в корпусе AD5421 и в результате повышает точность аналогового выходного сигнала токовой петли. Это также увеличивает максимально допустимое напряжение в контуре до уровня номинального напряжения МОП-транзистора. Дополнительный полевой МОП-транзистор не влияет на качество связи по интерфейсу HART.

Рисунок 8. Полевой МОП-транзистор, подключенный к AD5421 в цепи питания токовой петли

В этой схеме AD5700 используется с резонатором 3,6864 МГц, что обеспечивает наименьшее энергопотребление. В качестве альтернативного варианта можно использовать AD5700-1со встроенным генератором с точностью 0,5%. Встроенный генератор увеличивает ток источника питания модема максимум на 225 мкА по сравнению с кварцевым резонатором, однако, поскольку в этом случае не используется внешний резонатор, то такой вариант позволяет сэкономить на компонентах и сократить требуемую площадь печатной платы.

Для систем, в которых питание берется не от токовой петли, хорошим выбором на роль ЦАП будут AD5410, AD5420, AD5422, или AD5755.

Наконец, вместо ADuM1441 можно использовать другие изоляторы, такие как ADuM1440, ADuM1442, ADuM1445, ADuM1446, ADuM1447, ADuM1240, ADuM1241, ADuM1245 и ADuM1246.

Оценивание характеристик и тестирование схем

Схемотехника

Схема, представленная на рисунке 1, была собрана на основе печатной платы DEMO-AD7124-DZ , показанной на рисунке 9.

Рисунок 9. Печатная плата DEMO-AD7124-DZ

Печатная плата DEMO-AD7124-DZ имеет дополнительные функциональные возможности, которые упрощают оценку системы. RTD-датчик, термопара или датчик давления могут быть подключены через 8-контактный разъем J5. На плате есть контрольные точки для линий RTS и CD. 4-контактный разъем позволяет загружать код в микроконтроллер.

Пакет поддержки проектирования CN-0382 также содержит написанный на языке C пример кода работы полевого прибора, способного взаимодействовать с 3-проводными и 4-проводными RTD-датчиками Pt100 и Pt1000, термопарами и датчиками давления с возбуждением напряжением/током, что позволяет осуществить полную проверку и оценку работы всех аппаратных блоков и функциональных возможностей схемы, а также ограниченную проверку функциональности интерфейса HART. Для получения подробной информации о характеристиках и ресурсах интерфейса HART обращайтесь в Hart Communication Foundation.


Энергопотребление схемы

Для упрощения измерений данная схема имеет множество контрольных точек для измерения тока. В трактах линий REGOUT и DVDD микросхемы AD5421 стоит по резистору сопротивлением 10 Ом. На выходе ADP162 установлен аналогичный резистор 10 Ом. Вторые концы этих резисторов 10 Ом выведены на контрольные точки. Это позволяет измерять падение напряжения на каждом резисторе и рассчитывать ток, не прерывая ток питания и не нарушая работу цепи.

Схема сконфигурирована следующим образом:

  • Частота ядра микроконтроллера = 1 МГц
  • AD7124-4 и аналоговая схема работают в соответствующем режиме для каждого типа датчика
  • AD5421 работает и обновляет значение выходного тока для токовой петли со скоростью 10 SPS
  • Связь по интерфейсу HART осуществляется с периодическими ответами на запросы ведущего с целью чтения всех переменных устройства 

Таблица 1. Потребление тока элементами схемой
Режим Внутреннее потребление AD5421 (мА) DVDD 3,3 В (мА) REGOUT 9,0 В (мА) Полное потребление без токовой петли (мА) Изолированная цепь 3,3 В (мА)
Моделирование 0.28 0.63 0.82 1.73 0.48
4-проводный RTD 0.28 0.63 1.00 1.91 0.84
3-проводный RTD
0.28 0.63 1.12 2.03 1.08
Термопара 0.28 0.63 0.89 1.80 0.61
Датчик давления




Возбуждение напряжением 0.28 0.63 1.16 2.07 1.15
Возбуждение током 0.28 0.63 0.98 1.89 0.79


В таблице 1 показан ток, потребляемый каждым отдельным блоком: самим AD5421 (оценка, подтвержденная помещением AD5421 в минимальный ток петли), схемой, питаемой от DVDD 3,3 В (микроконтроллер, HART-модем и первичная цепь гальванической развязки интерфейса SPI) и первичной цепью изолированного источника питания 9 В. Эти токи суммируются в один общий ток, который берется из токовой петли для питания самой схемы, при этом он не включает переменную составляющую тока, предназначенную для формирования выходного сигнала 4-20 мА. В столбце под названием «Изолированная цепь 3,3 В» приведен ток изолированной цепи с напряжением питания 3,3 В, которое питает датчик, AD7124-4 и вторичную цепь гальванической развязки интерфейса SPI.

Схема со всеми соответствующими аналоговыми и цифровыми блоками, в том числе с датчиком, потребляет ток источника питания в пределах допустимого уровня при минимальном выходном токе петли 4 мА.


Характеристики входного сигнала датчика

4-проводный RTD

На рисунке 10 показан график изменения погрешности измерения в зависимости от температуры при подключении к системе 4-проводного RTD-датчика. В данном случае используется датчик Pt100 класса B. Настройки AD7124-4 следующие:

  • Режим энергопотребления: средний
  • Фильтр: фильтр постобработки, 25 SPS
  • Ток возбуждения: обеспечивается на линии AIN6 и равен 250 мкА
  • Коэффициент усиления = 16
  • Полярность: однополярный сигнал
  • Буферы опорного напряжения включены
  • RTD-датчик подключен к каналу AIN4/AIN5
  • Опорное напряжение: REFIN1 с опорным резистором 5,6 кОм, подключенным к линиям REFIN1
  • Смещение нуля и калибровка полного диапазона в AD7124-4 выполняются при включении питания 

Рисунок 10. График изменения погрешности измерения в зависимости от температуры при использовании 4-проводного RTD-датчика

Результаты преобразования, считанные с АЦП, были линеаризованы с помощью микроконтроллера. Температура датчика Pt100 изменялась в пределах от 0 °C до 100 °C, в то время как на плате поддерживалась температура 25 °C. На рисунке 10 показана точность работы этой демонстрационной установки. Измеренная точность демонстрационной установки находится в пределах указанной точности датчика Pt100 класса B.

3-проводный RTD

На рисунке 11 показан график изменения погрешности измерения в зависимости от температуры при подключении к системе 3-проводного RTD-датчика. В данном случае используется датчик Pt100 класса B. Настройки AD7124-4 следующие:

  • Режим энергопотребления: средний
  • Фильтр: фильтр постобработки, 25 SPS
  • Ток возбуждения IOUT0: обеспечивается на линии AIN6 и равен 250 мкА
  • Ток возбуждения IOUT1: обеспечивается на линии AIN7 и равен 250 мкА
  • Коэффициент усиления = 16
  • Полярность: однополярный сигнал
  • Буферы опорного напряжения включены
  • RTD-датчик подключен к каналу AIN4/AIN5
  • Опорное напряжение: REFIN1 с опорным резистором 5,6 кОм, подключенным к линиям REFIN1
  • Смещение нуля и калибровка полного диапазона в AD7124-4 выполняются при включении питания 

Рисунок 11. График изменения погрешности измерения в зависимости от температуры при использовании 3-проводного RTD-датчика

Температура датчика Pt100 изменялась в пределах от 0 °C до 100 °C, в то время как на плате поддерживалась температура 25 °C. Результаты преобразования, считанные с АЦП, были линеаризованы с помощью микроконтроллера. Внутреннее смещение нуля и калибровка полного диапазона были выполнены при 25 °C перед началом измерения. После калибровки температура 3-проводного датчика Pt100 изменялась в пределах диапазона, разрешенного для Pt100 класса B. На рисунке 11 показана точность работы этой демонстрационной установки. Измеренная точность демонстрационной установки находится в пределах указанной точности датчика Pt100 класса B.

Термопара

На рисунке 12 показан график изменения погрешности измерения в зависимости от температуры при подключении к системе термопары. Настройки AD7124-4 следующие:

  • Режим энергопотребления: средний
  • Настройки термопары
    • Коэффициент усиления = 128
    • Канал: AIN4/AIN5
    • Внутренний источник опорного напряжения включен
    • Фильтр: фильтр постобработки, 25 SPS
    • Полярность: биполярный сигнал
  • Смещение нуля и калибровка полного диапазона в AD7124-4 выполняются при включении питания
  • Настройки холодного спая
    • Коэффициент усиления = 1
    • Фильтр: Sinc3 с быстрым установлением, 44,44 SPS
    • Канал: AIN2/AIN3
    • Выбран внутренний источник опорного напряжения
    • Буферы аналоговых входных сигналов включены
    • Полярность: однополярный сигнал

Погрешность полного диапазона AD7124-4 откалибрована на заводе с коэффициентом усиления 1, поэтому никаких дополнительных калибровок не проводилось.

Рисунок 12. График изменения погрешности измерения в зависимости от температуры при использовании термопары T-типа (холодный спай при температуре окружающей среды)

При получении результатов, представленных на рисунке 12, температура холодного спая поддерживалась на уровне 25 °C, а температура термопары изменялась в диапазоне от 0 °C до 100 °C. Результаты преобразования, считанные с АЦП, были обработаны и линеаризованы с помощью микроконтроллера.

Термопара Т-типа имеет точность 1 °C или 0,75%. Погрешность также увеличивается вследствие применения термистора. Используемый в данной схеме термистор имеет точность 1% или 1 °C. На рисунке 12 показана разница между испытываемой температурой и измеренной температурой. Результаты находятся в пределах установленных характеристик для комбинации термопара/термистор.

Процесс измерения был повторен при температуре термопары, поддерживаемой на уровне 25 °C, и при изменяемой температуре холодного спая в диапазоне от 0 °C до 80 °C (рисунок 13). Система имеет суммарную точность 1,75 °C, которую можно улучшить, используя более точное средство измерения температуры холодного спая, такое как датчик Pt100.

Рисунок 13. График изменения погрешности измерения температуры термопары T-типа в зависимости от температуры холодного спая (температура холодного спая изменяется, а температура термопары поддерживается на уровне температуры окружающей среды)


Датчик давления


После подключения датчика давления были проведены испытания на шум. Уровень шума является основным параметром, на который может повлиять взаимодействие аналогового внешнего интерфейса с остальной схемой на плате. В связи с этим были проведены испытания с целью анализа шума и его влияния на разрешение системы.

Демонстрационная установка была настроена на передачу по интерфейсу HART данных о давлении, выраженных в кПа. Было произведено сто выборок, и был проведен базовый анализ данных для количественной оценки работы системы. Первое испытание проводилось с подключенным стандартным датчиком давления (Honeywell 24PCDFA6D). Второе испытание проводилось с закороченным входом.

Испытания проводились при возбуждении датчика током и напряжением. При возбуждении напряжением настройки AD7124-4 были следующие:

  • Режим энергопотребления: средний
  • Фильтр: фильтр постобработки, 25 SPS
  • Коэффициент усиления = 16
  • Полярность: биполярный сигнал
  • Буферы опорного напряжения включены
  • Датчик подключен к каналу AIN4/AIN5
  • Опорное напряжение: REFIN2, опорное напряжение обеспечивается за счет чувствительных резисторов датчика давления 

При возбуждении током настройки AD7124-4 были следующие:

  • Режим энергопотребления: средний
  • Фильтр: фильтр постобработки, 25 SPS
  • Оба тока возбуждения 100 мкА выходят из линии AIN6, в результате чего общий ток возбуждения датчика становится равным 200 мкА
  • Коэффициент усиления = 16
  • Полярность: биполярный сигнал
  • Буферы опорного напряжения включены
  • Датчик подключен к каналу AIN4/AIN5
  • Опорное напряжение: REFIN1 с опорным резистором 5,6 кОм, подключенным к линиям REFIN1

Характеристики представлены в таблице 2, а графики сигналов показаны на рисунках 14, 15, 16 и 17.


Таблица 2. Датчик давления: шум и разрешение
Параметр Возбуждение напряжением
Возбуждение током
Размерность
Датчик давления Закороченный вход Датчик давления Закороченный вход
Полный диапазон 391.47 391.47 438.45 438.45 кПа
Ср.кв. шум 0.66 0.61 1.76 1.69 Па
Полный размах напряжения шума
3.5 3.2 11.1 9.8 Па
Эффективное (ср.кв.) разрешение 19.2 19.3 17.9 18 бит
Разрешение, свободное от шума (полный размах) 16.8
16.9
15.3
15.4
бит

Рисунок 14. Возбуждение напряжением – входной сигнал от датчика давления

Рисунок 15. Возбуждение напряжением – входной сигнал при закороченном входе

Рисунок 16. Возбуждение током – входной сигнал от датчика давления

Рисунок 17. Возбуждение током – входной сигнал при закороченном входе

Образцы

Образцы

Продукт

Описание

Доступный продукт
Модели для образца

AD7124-4 Четырехканальный 24-разрядный сигма-дельта АЦП с низким шумом, малым энергопотреблением, интегрированными усилителем и источником опорного напряжения

AD7124-4BBCPZ

AD7124-4BCPZ

AD7124-4BRUZ

AD7124-4TRUZ-EP

AD5421 16-разрядный ЦАП с выходом тока 4-20 мА, последовательным входом и питанием от токовой петли

AD5421ACPZ-REEL7

AD5421BCPZ-REEL7

AD5421BREZ

AD5421CREZ

AD5700 Малопотребляющий HART модем

AD5700ACPZ-RL7

AD5700BCPZ-R5

ADUM1441 Микропотребляющий четырехканальный цифровой изолятор, высокий логический уровень по умолчанию (конфигурация каналов 3/1)

ADUM1441ARQZ

ADUM1441ARSZ

ADP162 Линейный КМОП стабилизатор с крайне низким потребляемым током, выходной ток 150 мА

ADP162ACBZ-1.2-R7

ADP162ACBZ-1.8-R7

ADP162ACBZ-2.1-R7

ADP162ACBZ-2.3-R7

ADP162ACBZ-2.8-R7

ADP162ACBZ-3.0-R7

ADP162ACBZ-3.2-R7

ADP162ACBZ-4.2-R7

ADP162AUJZ-1.5-R7

ADP162AUJZ-1.8-R7

ADP162AUJZ-2.3-R7

ADP162AUJZ-2.5-R7

ADP162AUJZ-2.7-R7

ADP162AUJZ-2.8-R7

ADP162AUJZ-3.0-R7

ADP162AUJZ-3.1-R7

ADP162AUJZ-3.3-R7

ADP162AUJZ-4.2-R7

ADG5433 High Voltage Latch-up Proof Triple SPDT Switches

ADG5433BCPZ-REEL7

ADG5433BRUZ

ADG5433WBRUZ

Функционирование раздела Покупка возможно только в полной версии сайта
Оценочные платы Цена указана за одну единицу.
Назад
Проверить наличие
Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.
Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.