适用于带HART的PLC/DCS体系的彻底阻隔的4通道模拟输出电路

适用于带HART的PLC/DCS体系的彻底阻隔的4通道模仿输出电路
 
评价和规划支撑
电路评价板
CN0418参阅规划板(EVAL-CN0418-ARDZ)
超低功耗Arduino尺度开发板(EVAL-ADICUP3029)
规划和集成文件
原理图、布局文件、物料清单、软件
 
阐明：ADI公司的Circuits from the Lab®参阅规划由ADI公司的工程师规划构建。每个电路的规划和构建都严厉遵从标准工程标准，电路的功用和功用都在实验室环境中以室温条件进行了测验和查验。可是，您需自行担任测验电路，并确认对您是否适用。因而，ADI公司将不对由于任何原因、任何与Circuits from the Lab电路衔接的物品所导致的直接、直接、特别、偶尔、必定或许惩罚性的危害担任。
 
电路功用与优势
图1所示的电路供给了一个完好的彻底阻隔式高度灵敏的4通道模仿输出体系，合适工业级可编程逻辑操控器(PLC)、分布式操控体系(DCS)和其他工业进程操控运用，这些运用要求选用±5 V或±10 V电压和4 mA至20 mA电流输出，且选用HART衔接。
一切4通道输出和功率输入都具有瞬态过压和过流事情维护功用，合适最恶劣的工业环境。
CN0418电源输入电路包含板载滤波和维护功用，兼容12 V至36 V的直流电源电压，包含许多PLC和DCS运用中常见的标准24 V电源。
该模块兼容HART，供给了一个完好的现场通讯解决计划，简略易用、低成本、低功耗且极端牢靠。
片内动态功率操控功用最大极限地下降封装在电流输出形式下的功耗，关于运用多个电路的高通道数和高密度运用，能够协助平缓热办理方面的问题。
地址挑选逻辑支撑最多堆叠4个电路，在单个节点上供给最多16个通道，让4个输出的电源之间坚持阻隔。板载电子可擦除可编程只读存储器(EEPROM)能够存储校准和标识数据。
 
 

图1.集成变压器阻隔电源解决计划的4通道多路复用HART模仿输出电路（简化原理图：未显现一切衔接宽和耦）
 
电路描绘
工业操控模块中常用几种标准电压和电流规模，包含±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计划中，以16位分辨率供给一切这些规模。电压输出规模还供给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差错。
电流输出和电压输出经过独立引脚供给，给定时刻内仅一个输出类型处于有用状况，因而答应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，电压输出处于三态形式；当使能电压输出时，电流输出为三态形式。模仿输出受短路和开路维护。
AD5755-1支撑内部或外部精细电流设置电阻用于电压-电流转化电路，如图2所示。输出电流值在全温度规模内的稳定性取决于电流设置电阻R_SET值的稳定性。作为进步输出电流在整个温度规模内的稳定性的一种办法，可将一个外部15 kΩ低漂移电阻衔接到AD5755-1的R_{SET_x}引脚，以代替内部电阻。外部电阻经过DAC操控寄存器进行挑选。高精度丈量经过两种选项进行评价，详见“电路评价与测验”部分。

图2.电压-电流转化电路
 
精细基准电压源的挑选
AD5755-1有一个片内10 ppm/°C（最大值）基准电压源。为了进步在整个温度规模内的功用，该规划选用一个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内核供给经缓冲的基准电压。因而，任何基准电压差错都会反应到输出端。
ADR02是一款5 V精细基准电压源，答应高达36 V的输入电压。ADR02的最大精度差错为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工业温度规模内会奉献大约0.02%差错。
ADR02的长时刻漂移为50 ppm（典型值），0.1 Hz至10 Hz额定噪声为10 μV p-p（典型值）。
动态功率操控
AD5755-1集成依据DC-DC升压转化器电路的动态功率操控功用，在电流输出形式下可下降功耗。大都PLC电流输出电路都选用一个固定电压源，以满意整个负载电阻值规模内的依从输出电压要求。例如，在驱动20 mA时，一个负载为750 Ω的4 mA至20 mA环路就要求依从电压不低于15 V。但在将20 mA驱动至50 Ω负载时，则只需求1 V的依从电压。假如在驱动50 Ω负载时，15 V的依从电压坚持不变，则会糟蹋20 mA × 14 V = 280 mW的功率。
AD5755-1电路经过检测输出电压，调理依从电压，不管负载电阻有多大，只答应少数的裕量电压，由此大幅下降这种功率丢失。AD5755-1最多能够将24 mA驱动至1 kΩ的负载。
DC-DC转化器作业原理
AD5755-1内置4个独立的DC-DC转化器，用于为各个通道的V_{BOOST_x}电源电压供给动态操控。图3所示为AD5755-1与各通道相关的外部分立式组件。
 

图3.DC-DC电路
 
主张在C_DCDC之后放置一个10 ?6?8、100 nF低通RC滤波器。尽管该器材会耗费少数电能，但会削减V_{BOOST_x}电源上的纹波。
DC-DC转化器选用一种恒频、峰值电流形式操控计划，以将4.5 V至5.5 V的AV_CC输入升压，然后驱动AD5755-1输出通道。这些转化器规划用于作业在断续导通形式(DCM)，占空比小于90%（典型值）。
当通道被设置选用电流输出规模时，转化器将V_{BOOST_x}电源的值调理到7.4 V (±5%)或(I_{OUT_x} × R_LOAD+ headroom)，以较高者为准。在电流输出形式下，若输出被禁用，转化器将把V_{BOOST_x}电源调理至7.4 V (±5%)。在电压输出形式下，若输出被禁用，转化器将把V_{BOOST_x}电源调理至15 V (±5%)。有关DC-DC转化器作业情况的概况，请拜见AD5755-1数据手册。
 
数字压摆率操控
AD5755-1的压摆率操控特性答运用户操控输出值的改变速率。这个特性适用于电流和电压输出，支撑完成两种重要功用：当输出从低值摇摆至高值时，它能够减低来自AV_CC的瞬变电流，它还能够下降对HART通讯的搅扰。
经过禁用压摆率操控特性，输出值以受输出驱动电路和所连负载约束的速率改变。经过压摆率操控寄存器的SREN位使能压摆率特性后，输出以压摆率操控寄存器能够拜访的SR_CLOCK和SR_STEP两个参数所界说的速率，在两个电平值之间摇摆。
在以下等式中，压摆率为步长、更新时钟频率和LSB巨细的函数：
 

 
其间：
压摆时刻用秒表明。
输出改变表明为A（针对I_{OUT_x}）或V（针对V_{OUT_x}）。
更多信息请参阅AD5755-1数据手册。
 
瞬态电压维护
AD5755-1内置ESD维护二极管，可避免器材在一般作业条件下受损。可是，工业操控环境或许会使输入/输出(I/O)电路遭受高得多的电压瞬变。为了避免AD5755-1遭到过高的电压瞬变，需求把一个24 V瞬变电压抑制器(TVS)置于I_{OUT_x}/V_{OUT_x}衔接上，如图4所示。

图4.输出瞬态电压维护
为供给进一步维护，I_{OUT_x}和V_{OUT_x}引脚与V_{BOOST_x}和AV_SS电源引脚之间衔接有钳位二极管。别的还运用一个5 kΩ限流电阻，它与+V_{SENSE_x}输入端串联，用以将瞬变事情期间的电流约束在合理规模内。AD5700 HART调制解调器主张选用包含150 kΩ电阻的外部带通滤波器，这样能够将电流约束在足够低的水平，如此便无需选用额定的维护电路，即便在最苛刻的工业环境下也是如此。
 
输入电源维护
经过一个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）衔接到EVAL-CN0418-ARDZ电路板。该电源有必要采纳毛病和电磁搅扰(EMI)维护措施，如图5所示。

图5.输入电源瞬变电压维护
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。该电路保证参阅规划体系能够接受电源端口或许发生的搅扰和瞬变。参阅《模仿对话》43-04，2009年4月发布的PLC评价板简化工业进程操控体系的规划，了解更多信息。
 
电源电路
EVAL-CN0418-ARDZ板由12 V至36 V直流供电，运用板载开关稳压器向渠道板供给7.5 V电源，如图6和图7所示。在测验设置中，EVAL-ADICUP3029板的供电电源为7.5V。然后，EVAL-ADICUP3029板为IO_VREF引脚（参阅图7）供给3.3 V调理电压，为其他电路供给5 V电压。
ADP2441是36 V降压DC-DC稳压器，选用工业标准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）用于渠道板，并运用Arduino兼容渠道一般带有的5 V稳压器为EVAL-CN0418-ARDZ其他部分供给5 V 电源。电路在24V电源端还供给了滤波和维护功用。
ADP2441的开关频率很高，因而，即便只用小型电感，输出电压的纹波也十分小。电感的巨细需权衡功率和瞬态呼应决议。小型电感会引起较大的电感电流纹波，能供给更超卓的瞬态呼应，但会下降体系功率。由于ADP2441的开关频率十分高，因而主张运用低磁芯损耗、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。依据ADP2441数据手册挑选33 μH的电感值。该电路经过螺丝端子衔接到12 V至36 V的现场电源。EARTH端子能够衔接到外部大地衔接，如若未运用外部大地衔接，则可衔接到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情供给额定的输入维护。
阻隔电源由LT8301非光学阻隔反激式转化器发生。具有4抽头二次绕组的变压器供给阻隔，并发生+16 V、−16 V和+5 V电源。经过对原边反激式波形采样来调理输出电压，无需选用光学阻隔器、辅佐检测绕组或其他阻隔反应办法。
LT8301被用于调理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显现在各种负载条件下，满意AD5755-1要求的电源电压。

图6.电源电路（简化原理图：未显现一切衔接）

图7.EVAL-CN0418-ARDZ电路板的电源树和装备
 
表1.变压器阻隔式供电轨电压
 

AD5755-1具有较宽的电源电压规模，但将电路集成到客户体系之前，有必要先对其施行全面评价。验证LT8301在一切正常负载、毛病条件下，以及在预期的输入电源电压规模内，在AD5755-1数据手册列出的答应规模内，坚持阻隔电源调理。
HART耦合
AD5755-1有四个CHARTx引脚，别离对应于四个输出通道。HART信号能够耦合至这些引脚，并出现在对应的电流输出端（假如该输出已使能）。表2给出了CHARTx引脚上的HART信号的引荐输入电压。假如运用这些电压，电流输出应契合HART起伏要求。图8所示为将HART信号衰减和耦合至AD5755-1 HART输入的引荐电路。
表2.CHARTx输入电压和HART输出电流

图8.耦合HART信号
为了保证1.2 kHz和2.2 kHz HART频率不会在输出端大幅衰减，C1 + C2有必要到达某一最小值。引荐值为：C1 = 22 nF，C2 = 47 nF。为了到达HART的模仿改变速率要求，有必要以数字方法操控输出的压摆率。
 
数字阻隔
ADuM3151和ADuM3482为3.75 kV四通道数字阻隔器，选用小型20引脚SSOP封装(7.2 mm × 7.8 mm)。阻隔器内核作业电压规模为3.0 V至5.5 V，而I/O电源规模为1.8 V至5.5 V。这些器材可用于直接与1.8 V逻辑器材接口。此规划中的ADuM3151阻隔来自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则阻隔AD5700-1 HART调制解调器的UART信号。拼接电容是经过堆叠内部平面在印刷电路板(PCB)内部完成的，以削减EMI辐射和板噪声。有关EMI缓解技能的更多信息，请参阅AN-0971运用笔记“isoPower器材的辐射操控主张”。
 
INL和DNL功用
运用变压器阻隔开关电源，测验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规模内的INL都规则为±0.006% FSR，不管选用的是内部R_SET仍是外部R_SET。图9和图10显现，实测成果彻底在该规则规模之内。

图9.丈量的电压输出INL/DNL，通道A
 

图10.丈量的电流输出INL/DNL，通道A
 
肯定精度功用
在电流输出形式下，运用内部R_SET时，AD5755-1的总非调整差错(TUE)为±0.11% FSR（最大值，25°C）。ADR02参阅（B级）的总差错为0.06%（最大值，25°C）。
表3所示为通道A电路在4 mA至20 mA规模内的实测电流输出差错，其间，负载为500 ?6?8，运用的是内部R_SET。表3总结通道A的成果（运用内部R_SET），但它可代表一切4个通道。悉数成果均坐落预期值规模内。
 
表3.实测I_{OUT_A}差错（4 mA至20 mA规模）

 
对电压输出形式进行了类似的丈量，其间AD5755-1 TUE额定值为±0.03% FSR（最大值，25°C）。表4所示为通道A的成果。剩余的三个通道成果与其类似。
表4.实测V_{OUT_A}差错（±10 V规模）

 
HART兼容性
 

图11.在500 Ω负载下测得的FSK波形
 
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显现耦合至AD5755-1输出中的调制HART信号（设置为4 mA），通道2显现AD5700-1 TXD信号。
要与HART兼容，电路有必要契合HART物理层标准。HART标准文档中包含了很多物理层标准。为了评价硬件功用，本电路笔记中考虑的两项标准为静默期间的输出噪声和模仿改变率。
 
静默期间的输出噪声测验
当HART器材没有进行传输（静默）时，不该将HART扩展频带中噪声耦合到网络上。噪声过高或许会搅扰设备自身或网络上其它设备对HART信号的接纳。
关于在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越2.2 mV rms。此外，该频带外的噪声不该超越138 mV rms。
此噪声经过在500 Ω负载上衔接HCF_TOOL-31滤波器（可从HART通讯基金会取得）并将滤波器输出衔接到真均方根丈量仪来丈量。用示波器来查看输出波形。
 

图12.HCF_TOOL-31输入端静默波形下的输出噪声
 
模仿改变率
这一技能标准可保证当设备调理电流时，模仿电流的最大改变率不会搅扰HART通讯。电流的阶跃改变会打乱HART信号。最差情况下的模仿输出电流改变必定不能发生高于15 mV峰值电压的搅扰，此数值在HART扩展频带下，经过对500 Ω负载进行丈量得到。契合这一要求可保证模仿信号的最大带宽处于规则的直流至25 Hz频带中。
关于该测验，HCF_TOOL-31再次衔接500 ?6?8负载，就如静默期间噪声测验中一样；一起将一个示波器衔接至其输出端。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。为了到达要求的体系标准，经过AD5755-1的数字压摆率操控功用对输出电流改变起伏进行约束。关于此特性的具体阐明，请参阅AD5755-1数据手册。在该测验中，SR_CLOCK和SR_STEP别离设为64 kHz和16 LSB，得到64 ms的压摆时刻。成果如图13所示。通道1显现AD5755-1 I_{OUT_A}在4 mA至20 mA规模内的信号阶跃，这是在500 ?6?8负载下检测的，而且衔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。峰值在前面说到的150 mV峰值限值之内。
 

图13.模仿改变率波形I_{OUT_A}
 
常见改变
关于只要求电流输出的运用，AD5757可用于代替AD5755-1。假如需求的分辨率低于16位，则AD5737可运用12位的。
关于挨近或以AD5755-1的最大电流运转的运用，请运用DC2906A演示手册中显现的电源解决计划（依据LT8302），它供给更高的输出功率。
可用AD5700调制解调器代替AD5700-1，但需求一个外部晶振或许CMOS时钟，由于AD5700并不具有AD5700-1供给的内部振荡器选项。详见AD5700数据手册和AD5700-1数据手册。
关于单通道运用，请参阅电路笔记CN0321“具有HART衔接的彻底阻隔、单通道电压、4 mA至20 mA输出”。
 
电路评价与测验
所供给的软件面向EVAL-ADICUP3029渠道，但其规划也可轻松移植到其他微操控器渠道。移植到其他渠道时，请必须全面查看硬件兼容性，包含电压电平缓功用。

图14.EVAL-CN0418-ARDZ板
 
需求的设备
操作需求运用以下设备：
●   EVAL-CN0418-ARDZ参阅规划板
●   串行终端程序，如Tera Term或Putty
●   EVAL-ADICUP3029开发板
●   PC（Windows^® 32位或64位）
●   24 V电源，例如Agilent E3631A
●   精细电压和电流表，例如Agilent 3458A
●   4个500 Ω精细负载电阻
●   示波器（Tektronix TDS2024B或等效器材）
●   USB A型转micro USB B型
●   CN0418软件
 
开始运用
有关设置的更多信息和完好细节，请参阅CN0418用户攻略。
 
软件装置
装置软件请遵从下列过程：
1.   将EVAL-CN0418-ARDZ衔接到EVAL- ADICUP3029板上。
2.   运用顺便的电缆，经过PC的USB端口衔接EVAL-ADICUP3029板。
3.   对端子板P1衔接器施加24 V电压，使EVAL-CN0418-ARDZ上电。
4.   将固件上传至EVAL-ADICUP3029。
 
功用框图
图15所示为测验设置的功用框图。
 

图15.测验设置功用框图
 
遵从下方的根本设置过程：
1.   将EVAL-CN0418-ARDZ衔接到EVAL- ADICUP3029，如图16所示。

图16.EVAL-CN0418-ARDZ板衔接至EVAL-ADICUP3029
 
2.   假如没有装置跳线，请将盒中供给的跳线依照图17所示的相同装备进行装置。

图17.P9和P10的默许并联跳线方位；双列直插式(DIP)开关，处于“开”方位
 
3.   对EVAL-CN0418-ARDZ的P17跳线施加24 V直流电压。
4.   将EVAL- ADICUP3029的micro USB电缆衔接至PC。
5.   运用命令行中止程序（例如Putty、Telnet或Tera Term）翻开串行终端窗口。