用于I/O卡和PLC應(yīng)用的4通道、靈活、可配置、電壓和電流輸出電路

電路功能與優(yōu)勢(shì)圖1所示電路是一種僅使用兩個(gè)模擬器件的多通道、靈活的模擬輸出解決方案，它滿足多通道I/O卡、可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用的大部分要求。具有軌到軌緩沖輸出的四通道、16位nanoDAC+ AD5686R 配合四個(gè)工業(yè)電流/電壓輸出驅(qū)動(dòng)器 AD5750-2 使用，可提供所有典型的電流和電壓范圍的輸出，其具有16位分辨率且無失碼、0.05%的線性度以及小于0.1%的輸出誤差。AD5686R集成了一個(gè)具有高驅(qū)動(dòng)能力（最高±5 mA）、超低漂移（2 ppm/°C，典型值）的2.5 V基準(zhǔn)電壓源，能夠同時(shí)為AD5686R和AD5750-2提供基準(zhǔn)電壓，確保電路的低噪聲、高精度、低溫漂。ADuM1301 和 ADuM5400 對(duì)電源和模擬信號(hào)鏈與主控制器之間的所有必要信號(hào)提供2500 V rms隔離。對(duì)于需要4個(gè)以上通道的多通道I/O卡應(yīng)用，多個(gè)AD5686R可以菊花鏈形式連接，且不需要額外的外部數(shù)字I/O電路。這樣使成本降到最低限度，特別是對(duì)于高通道數(shù)隔離應(yīng)用。該電路還具有一些針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵特性，如片內(nèi)輸出故障檢測(cè)、通過CRC執(zhí)行分組差錯(cuò)檢驗(yàn)(PEC)、靈活的上電選項(xiàng)和ESD保護(hù)（AD5686R為4 kV，人體模型，AD5750-2為3 kV，人體模型），非常適合構(gòu)建魯棒工業(yè)控制系統(tǒng)。在大批量生產(chǎn)中，它無需外部精密電阻或校準(zhǔn)程序就能保持一致的性能，因而是PLC或DCS模塊的理想選擇。圖1. 模擬輸出電路的原理示意圖（未顯示所有連接和保護(hù)電路）電路描述AD5750/AD5750-1/AD5750-2是單通道、低成本、精密電壓/電流輸出驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的需要。輸出電壓范圍可以針對(duì)PLC和DCS應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)輸出范圍進(jìn)行編程：0 V至5 V、0 V至10 V、−5 V至+5 V和−10 V至+10 V。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，還提供了20%的超范圍設(shè)置，由此便可得到下列選項(xiàng)：0 V至+6 V、0 V至+12 V、-6 V至+6 V和-12 V至+12 V。電流輸出通過單獨(dú)的引腳提供，可以編程為以下范圍：+4 mA至+20 mA、0 mA至+20 mA、−20 mA至+20 mA、0 mA至+24 mA和−24 mA至+24 mA。單極性范圍具有2%的超范圍設(shè)置。由于AD5750/AD5750-1/AD5750-2的電流輸出既可以是源電流，也可以是吸電流，因此它能與廣泛的傳感器或執(zhí)行器接口。如果需要，可以將電壓和電流輸出引腳連接在一起，以便將系統(tǒng)配置為單通道輸出。一般而言，電流輸出電路需要至少一個(gè)精密電阻，用于電流檢測(cè)。電路的電流精度和溫度漂移特性部分取決于電阻和基準(zhǔn)電壓。AD5750/AD5750-1/AD5750-2集成了高精度、低漂移電阻，如果需要還可以使用外部電阻。要提高輸出電流在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，方法之一是在AD5750/AD5750-1/AD5750-2的REXT1和REXT2引腳連接一個(gè)外部低漂移電阻來替代內(nèi)部電阻。外部電阻通過輸入移位寄存器進(jìn)行選擇。如果不使用外部電阻選項(xiàng)，REXT1和REXT2引腳應(yīng)保持懸空。AD5686R是一款四通道、16位、軌到軌電壓緩沖輸出nanoDAC+，片內(nèi)集成一個(gè)典型值為2 ppm/°C（最大值為5 ppm/°C）的2.5 V基準(zhǔn)電壓源。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源可驅(qū)動(dòng)所有四個(gè)AD5750-2的基準(zhǔn)輸入，具有0.05 Ω的低輸出阻抗，源電流和吸電流最高可達(dá)5 mA。AD5686R內(nèi)置一個(gè)上電復(fù)位電路，確保DAC輸出上電至0 V并保持該電平，直到執(zhí)行一次有效的寫操作為止。AD5686R DAC與AD5750-2驅(qū)動(dòng)器之間的接口簡單，無需外部基準(zhǔn)電壓源或精密電阻。AD5686R的輸出電壓范圍是0 V到2.5 V，與AD5750-2的輸入范圍匹配。此外，AD5686R的基準(zhǔn)輸出電壓為2.5 V，與AD5750-2的基準(zhǔn)輸入要求完全匹配。ADuM1301是一款三通道數(shù)字隔離器。ADuM5400是一款四通道數(shù)字隔離器，集成了一個(gè)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。它們均基于iCoupler®技術(shù)，用來在信號(hào)鏈與系統(tǒng)微控制器之間實(shí)現(xiàn)隔離，隔離額定值為2.5 kV rms。ADuM5400為副邊的5 V電路提供5 V隔離電源。用于PLC和DCS應(yīng)用的器件所需的ESD保護(hù)和過壓保護(hù)一般遠(yuǎn)高于通常的推薦要求。AD5686R和AD5750-2的各引腳內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，可以防止4 kV (AD5686R)和3 kV (AD5750-2)電壓瞬變（人體模型）損害器件。但是，工業(yè)控制環(huán)境可能會(huì)使I/O電路遭受高得多的電壓瞬變。使用外部54 V、600 W瞬變電壓抑制器(TVS)作為增強(qiáng)ESD保護(hù)的第一級(jí)。在AD5750-2的VSENSE+和VSENSE−引腳上放置一個(gè)串聯(lián)1 kΩ、0.5 W電阻的肖特基功率二極管，在VOUT和IOUT引腳上放置50 mA、30 V自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。這些保護(hù)電路置于 EVAL-CN0229-SDPZ 電路板中，以提供50 V過壓保護(hù)和50 mA過流保護(hù)。圖1的原理示意圖未顯示可選的外部保護(hù)電路，但可以在CN0229設(shè)計(jì)支持包的詳細(xì)原理圖(EVAL-CN0229-SDPZ-PADSSchematic pdf文件) 中找到。本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板(PCB)上。為實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能和低EMI，請(qǐng)采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)（請(qǐng)參考 指南MT-031——實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán) 以及 指南MT-101——去耦技術(shù)）。測(cè)量
對(duì)于PLC、DCS和其它過程控制系統(tǒng)，積分非線性(INL)、微分非線性(DNL)和輸出誤差是最重要的性能指標(biāo)。AD5750-2具有非常靈活并且可配置的輸出范圍，可以滿足應(yīng)用需要。該電路的INL、DNL和輸出誤差測(cè)量結(jié)果分別如圖2、圖3和圖4所示。數(shù)據(jù)是在25°C時(shí)在電壓輸出模式下獲得的。AD5750-2范圍設(shè)置為0 V至5 V。所有其它范圍的測(cè)試結(jié)果如表1所列。圖2. 0 V至5 V輸出范圍的INL圖3. 0 V至5 V輸出范圍的DNL圖4. 0 V至5 V輸出范圍的輸出誤差
表1所示測(cè)試結(jié)果是在25°C下使用EVAL-CN0229-SDPZ電路板的第一通道得到的，使用Agilent E3631A直流電源供電，利用Agilent 34401A數(shù)字萬用表測(cè)得的。注意，客戶需要調(diào)整輸出范圍3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA，以便與4 mA至20 mA、0 mA至20 mA和0 mA至24 mA范圍完全匹配。0 mA至20.4 mA范圍下的1.86% FSR輸出誤差包括增益誤差，增益誤差由客戶通過校準(zhǔn)輕松消除。以GND為參考，有一個(gè)約10 mV的低死區(qū)。所有線性測(cè)試結(jié)果使用一個(gè)縮減的數(shù)據(jù)范圍256到65,535計(jì)算。對(duì)于3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA，低死區(qū)大于其他標(biāo)準(zhǔn)范圍，被測(cè)量數(shù)據(jù)范圍1000到65,535。常見變化

AD5685R （14位）和AD5684R （12位）與AD5686R引腳兼容，適合不需要16位分辨率的應(yīng)用。

對(duì)于需要通道間隔離的應(yīng)用，單通道DAC（例如16位的AD5660 、14位的AD5640 和12位的 AD5620 是較好的選擇。

對(duì)于單通道應(yīng)用，詳情參見 CN-0202、 CN-0203和 CN-0204 電路筆記。

AD5623R （12位）、AD5643R（14位）和AD5663R（16位）是雙通道nanoDAC，AD5624R （12位）、AD5644R （14位）和AD5664R （16位）是四通道nanoDAC器件，均適合多通道應(yīng)用。AD5628/ AD5648/AD5668 是八通道12/14/16位SPI電壓輸出denseDAC，片內(nèi)集成5 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源。

AD5750 和 AD5750-1 驅(qū)動(dòng)器與AD5750-2引腳兼容。AD5750在4.096 V基準(zhǔn)電壓下可接受0 V至4.096 V的輸入。AD5750-1在1.25 V基準(zhǔn)電壓下可接受0 V至2.5 V的輸入。AD5751是單極性模擬輸出驅(qū)動(dòng)器，使用50 V AVDD電源時(shí)，可以提供40 V輸出。

電路評(píng)估與測(cè)試設(shè)備要求（可以用同等設(shè)備代替）系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)CN-0229電路評(píng)估板 (EVAL-CN0229-SDPZ)CN-0229評(píng)估軟件Agilent34401A 6.5數(shù)字萬用表AgilentE3631A 0 V至~6 V/5 A ±25 V/1 A三路輸出直流電源帶USB接口的PC（Windows® 2000或Windows XP）NationalInstruments GPIB轉(zhuǎn)USB-B接口和連接線開始使用
將CN-0229評(píng)估軟件光盤放入PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開My Computer（我的電腦），找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme 文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。功能框圖
圖5所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。EVAL-CN0229-PADSSchematic pdf文件包含CN-0229評(píng)估板的詳細(xì)電路原理圖。設(shè)置
EVAL-CN0229-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評(píng)估板上的CON A或CON B連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。將直流輸出電源成功設(shè)置為+15 V、−15 V和+6 V輸出后，關(guān)閉電源。在斷電情況下，將一個(gè)+15 V電源連接到CN1的+15 V引腳，將一個(gè)−15 V電源連接到CN1的−15 V引腳，將GND連接到CN1的GND引腳。以同樣方式將+6 V連接到CN2。接通電源，然后使用USB電纜連接SDP板和PC上的USB端口。注意：接通EVAL-CN0229-SDPZ的直流電源之前，請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。圖5. 測(cè)試設(shè)置功能框圖測(cè)試設(shè)置好測(cè)試設(shè)備后，將CN3的VOUT引腳或CN4的IOUT引腳連接到Agilent 34401A的輸入端。根據(jù)輸入信號(hào)類型（電流或電壓），確保Agilent 34401A前面板上的電纜連接正確。測(cè)試INL、DNL和輸出誤差需要相當(dāng)長的時(shí)間，因?yàn)锳D5686R 16位DAC的所有電平都需要由Agilent 34401A設(shè)置并測(cè)量。利用CD中提供的軟件，可以通過PC設(shè)置DAC代碼。需要使用自動(dòng)測(cè)試程序來步進(jìn)式的測(cè)試各個(gè)代碼并分析數(shù)據(jù)。CD中未提供此程序，但是必須由客戶根據(jù)在測(cè)試設(shè)置中所用特定萬用表的要求予以實(shí)現(xiàn)。在圖5所示的測(cè)試配置中，利用National Instruments GPIB轉(zhuǎn)USB-B接口和電纜，Agilent 34401A萬用表的GPIB輸出與PC上的另一個(gè)USB端口相連接。這樣就能將每個(gè)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)的萬用表讀數(shù)載入到PC的Excel表格中。然后根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)定義分析這些數(shù)據(jù)，以獲得INL、DNL和輸出誤差。欲詳細(xì)了解參數(shù)定義以及如何從測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算INL、DNL和輸出誤差，請(qǐng)參閱AD5686R數(shù)據(jù)手冊(cè)的“術(shù)語”部分和以下文獻(xiàn)：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊(cè)第5章“測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器”，ADI公司。CIRCUITS FROM THE LAB實(shí)驗(yàn)室電路經(jīng)過構(gòu)建和測(cè)試可以確保功能和性能的電路設(shè)計(jì)。借助ADI公司眾多應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，解決了多種常見的模擬、RF/IF和混合信號(hào)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。配有完備的文檔，易于學(xué)習(xí)、理解和集成。

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