靈活、高精度、低漂移的PLC/DCS模擬輸出模塊

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一種全功能、高壓(最高44 V)、靈活、可編程的模擬輸出解決方案，它滿足可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用的大部分要求。

AD5662 是一款低功耗(0.75 mW @ 5 V)、軌到軌輸出、16位nanoDAC®器件，AD5751 是一款工業(yè)電流/電壓輸出驅(qū)動(dòng)器，二者的輸入和輸出電壓范圍以及基準(zhǔn)電壓要求完全一致。

ADR444是一款低漂移(B級(jí)最大值為3 ppm/°C)、高初始精度(B級(jí)最大值為0.04%)、低噪聲(典型值1.8 μV p-p，0.1 Hz至10 Hz)基準(zhǔn)電壓源，為AD5751和AD5662提供基準(zhǔn)電壓，保證電路具有超低噪聲、高精度、低溫漂特性。該電路提供所有典型的電流和電壓輸出范圍、16位分辨率且無(wú)失碼、0.05%的線性度以及小于0.2%的總輸出誤差。

ADuM1301 和ADuM5401在微控制器與模擬信號(hào)鏈之間提供所需的全部信號(hào)隔離。ADuM5401 還提供5 V隔離電源。該電路還具有一些支持工業(yè)應(yīng)用的重要特性，如片內(nèi)輸出故障檢測(cè)、用于防止分組錯(cuò)誤(PEC)的CRC校驗(yàn)以及靈活的上電選項(xiàng)等，非常適合構(gòu)建魯棒的工業(yè)控制系統(tǒng)。在大批量生產(chǎn)中，它無(wú)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。

電路描述

AD5751是一款單通道、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。AD5751的工作電壓范圍是10.8 V至55 V，電壓輸出可以高達(dá)44 V。電壓輸出范圍可以編程為PLC和DCS應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)輸出范圍及20%超范圍設(shè)置：0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至6 V、0 V至12 V。此外還提供兩種高壓輸出范圍：0 V至40 V和0 V至44 V。

電流輸出通過單獨(dú)的引腳提供，可以編程為以下標(biāo)準(zhǔn)范圍：4 mA至20 mA、0 mA至20 mA、0 mA至24 mA。此外還有2%超范圍設(shè)置，提供3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA。如果需要，可以將電壓和電流輸出引腳連在一起，以便將終端系統(tǒng)配置為單通道輸出。

AD5662是一款單通道、低成本、低功耗、軌到軌電壓緩沖輸出 nanoDAC 器件。在0.75 V至VDD電源電壓的寬基準(zhǔn)電壓范圍內(nèi)，AD5662保證±1 LSB的DNL。在圖1所示電路中，AD5751和AD5662采用ADR444提供的4.096 V公共基準(zhǔn)源工作。整個(gè)系統(tǒng)都能受益于ADR444的超低噪聲和低溫漂特性。ADR44x系列基準(zhǔn)源可以流出和流入電流，因此非常適合驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)電壓或電源輸入。AD5662還內(nèi)置一個(gè)上電復(fù)位電路，確保DAC輸出上電至中間電平或0 V并保持該電平，直到執(zhí)行一次有效的寫操作為止。

ADuM1301是一款三通道數(shù)字隔離器。ADuM5401是一款四通道數(shù)字隔離器，集成isoPower®隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。它們均基于 iCoupler® 技術(shù)，用來(lái)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。ADuM5401為副邊的所有電路提供5 V隔離電源。

數(shù)字電源與模擬電源應(yīng)分離，通過鐵氧體磁珠連接。各電源引腳通過并聯(lián)的10 μF電容和0.1 nF陶瓷電容進(jìn)行去耦。更多信息請(qǐng)參見CN0204設(shè)計(jì)支持包 中的原理圖。

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)高于形式上的推薦要求。AD5751的各引腳內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，可以防止瞬變損害器件。但是，工業(yè)控制環(huán)境可能會(huì)使I/O電路遭受高得多的瞬變。EVAL-CN0204-SDPZ電路板內(nèi)置外部64 V/1500 W瞬變電壓抑制器(TVS)、50 mA/30 V自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(PolySwitch)和肖特基功率二極管，以提供更高電壓的ESD保護(hù)、50 mA過流保護(hù)和64 V過壓保護(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CN0204設(shè)計(jì)支持包的詳細(xì)原理圖(EVAL-CN0204-SDPZ-SCH pdf文件)中找到： www.analog.com/CN0204-DesignSupport

本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(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)。AD5751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。測(cè)量條件為25°C、電壓輸出模式并且使用內(nèi)部電流檢測(cè)電阻。AD5751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。

表1所示測(cè)試結(jié)果是在25°C下使用EVAL-CN0204-SDPZ電路板和Agilent E3631A直流電源，利用Agilent 34401A數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得的。

注意，客戶需要調(diào)整輸出范圍0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA，以便與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1.70% FSR輸出誤差包括增益誤差，增益誤差可以由客戶通過校準(zhǔn)消除。

常見變化

本電路顯示了一系列驅(qū)動(dòng)器和DAC產(chǎn)品的一種實(shí)施方案，可以從該系列選擇其它器件以實(shí)現(xiàn)所需的性能。12位到16位分辨率和0.1%精度是PLC和DCS應(yīng)用的典型要求。針對(duì)不需要16位分辨率的應(yīng)用，可以使用 AD5620 (12位)和 AD5640 (14位)，它們還內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源。

AD5623R (12位)、 AD5643R (14位)和 AD5663R (16位)是雙通道nanoDAC器件，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。

AD5750-1 和 AD5750 均為雙極性模擬輸出驅(qū)動(dòng)器，可以提供±10 V和±20 mA。

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-0204電路評(píng)估板(EVAL-CN0204-SDPZ)

CN-0204評(píng)估軟件

用于控制外部測(cè)試測(cè)量設(shè)備的軟件(CD中未包括)

Agilent 34401A 6.5數(shù)字萬(wàn)用表

Agilent E3631A 0 V-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)

National Instruments GPIB轉(zhuǎn)USB-B接口和電纜

開始使用

將CN0204評(píng)估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開“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。Pdf文件“EVAL-CN0204-SDPZ-SCH”包含CN0204評(píng)估板的詳細(xì)電路原理圖。此文件位于CN-0204設(shè)計(jì)支持包中： www.analog.com/CN0204-DesignSupport

設(shè)置

EVAL-CN0204-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評(píng)估板上標(biāo)有“CON A”或“CON B”的連接器。應(yīng)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。將直流輸出電源設(shè)置為+25 V、−25 V和+6 V輸出后，關(guān)閉電源。

Agilent E3631A電源具有±25 V/1 A和6 V/5 A輸出通道。±25 V/1 A和6 V/5 A彼此隔離。因此，±25 V/1 A可以用于提供電路的+50 V電源。6 V/5 A電源的“−”引腳與±25 V/1 A電源的“COM”引腳之間不得有任何外部連接。

在斷電情況下，將一個(gè)+25 V電源連接到板上標(biāo)有“12~50VIN”的CN3引腳，將一個(gè)−25 V電源連接到板上標(biāo)有“GND_ISO”的CN3引腳。±25 V/1 A的“COM”不連接。以同樣方式將+6 V連接到CN2。接通電源，然后將SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：接通EVAL-CN0204-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。

測(cè)試

設(shè)置好測(cè)試設(shè)備后，將標(biāo)有“VOUT”的CN4引腳或標(biāo)有“IOUT”的CN1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和總誤差需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)锳D5662 16位DAC的所有電平都需要由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(lái)逐步測(cè)試各個(gè)代碼并分析數(shù)據(jù)。CD中未提供此程序，必須由客戶根據(jù)測(cè)試設(shè)置所用特定萬(wàn)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，34401A萬(wàn)用表的GPIB輸出與PC上的另一個(gè)USB端口接口。這樣，萬(wàn)用表讀數(shù)就能與載入PC中Excel電子表格的各代碼對(duì)應(yīng)。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和總誤差。

更多資訊請(qǐng)關(guān)注：21ic模擬頻道