模擬器件的PLC/DCS模擬輸出模塊

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一種僅使用兩個(gè)模擬器件的全功能、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。AD5660-1 是一款低功耗(2.8 mW @ 5 V)、軌到軌輸出、16位nanoDAC， AD5750-1是一款工業(yè)用電流/電壓輸出驅(qū)動器，二者相結(jié)合可提供所有典型的電流和電壓輸出范圍、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。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、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. 針對單通道的基本模擬輸出電路

電路描述

AD5750/AD5750-1是單通道、低成本、精密電壓/電流輸出驅(qū)動器，設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的需要。電壓輸出范圍可以針對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在一起，以便將終端系統(tǒng)配置為單通道輸出。

AD5660-1是一款單通道、低成本、低功耗、軌到軌電壓緩沖輸出nanoDAC，片內(nèi)集成一個(gè)1.25V、5 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源。AD5660-1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。

AD5660-1 DAC與AD5750-1驅(qū)動器之間的接口簡單，無需外部器件。AD5660-1的輸出電壓范圍是0 V到2.5 V，與AD5750-1的輸入范圍匹配。此外，AD5660-1的基準(zhǔn)輸出電壓為1.25 V，與AD5750-1的基準(zhǔn)輸入要求完全匹配。

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。AD5750-1的各引腳內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，可以防止3 kV瞬變損害器件（人體模型）。但是，工業(yè)控制環(huán)境可能會使I/O電路遭受高得多的瞬變。EVAL-CN0203-SDPZ電路板內(nèi)置外部30 V/600 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30 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CN0203設(shè)計(jì)支持包的詳細(xì)原理圖（EVAL-CN0203-SDPZ-SCH pdf文件）中找到：www.analog.com/CN0203-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)（請參考教程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 教程MT-101——“去耦技術(shù)”）。

測量

對于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)。AD5750-1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和輸出誤差測量結(jié)果分別如圖2、圖3和圖4所示。測量條件為25°C、電壓輸出模式并且使用內(nèi)部電流檢測電阻。AD5750-1范圍設(shè)置為0 V至5 V。所有其它范圍的測試結(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所示測試結(jié)果是在25°C下使用EVAL-CN0203-SDPZ電路板，采用Agilent E3631A直流電源供電，利用Agilent 34401A數(shù)字萬用表測得的。

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+24.5 mA范圍下的0.24% FSR輸出誤差包括增益誤差，增益誤差由客戶通過校準(zhǔn)消除。

常見變化

AD5620（12位）和 AD5640 （14位）與 AD5660 引腳兼容，適合不需要16位分辨率的應(yīng)用。

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 驅(qū)動器與AD5750-1引腳兼容，采用4.096 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)，可以接受0 V至4.096 V的輸入范圍。AD5751是單極性模擬輸出驅(qū)動器，使用50 V AVDD電源時(shí)，可以提供40 V輸出。

電路評估與測試

設(shè)備要求（可以用同等設(shè)備代替）

·系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

·CN-0203電路評估板(EVAL-CN0203-SDPZ)

·CN-0203評估軟件

·用于控制外部測試測量設(shè)備的軟件（CD中未包括）

·Agilent 34401A 6.5數(shù)字萬用表

·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CN-0203評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

圖5所示為測試設(shè)置的功能框圖。Pdf文件“EVAL-CN0203-SDPZ-SCH”包含CN-0203評估板的詳細(xì)電路原理圖。此文件位于CN-0203設(shè)計(jì)支持包中： www.analog.com/CN0203-DesignSupport

圖5. 測試設(shè)置功能框圖

設(shè)置

EVAL-CN0203-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上標(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電源連接到標(biāo)有“+15 V”的CN1引腳，將一個(gè)-15 V電源連接到標(biāo)有“-15 V”的CN1引腳，將“GND”連接到標(biāo)有“GND”的CN1引腳。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-CN0203-SDPZ的直流電源之前，請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

測試

設(shè)置好測試設(shè)備后，將標(biāo)有“VOUT”的CN3引腳或標(biāo)有“IOUT”的CN4引腳連接到Agilent 34401A的輸入端。根據(jù)輸入信號類型（電流或電壓），確保Agilent 34401A前面板上的電纜連接正確。測試INL、DNL和總誤差需要相當(dāng)長的時(shí)間，因?yàn)锳D5660-1 16位DAC的所有電平都需要由34401A設(shè)置并測量。

利用CD中提供的軟件，可以通過PC設(shè)置DAC代碼。需要使用自動測試程序來逐步測試各個(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)測試設(shè)置所用特定萬用表的要求予以實(shí)現(xiàn)。

在圖5所示的測試配置中，利用National Instruments GPIB轉(zhuǎn)USB-B接口和電纜，34401A萬用表的GPIB輸出與PC上的另一個(gè)USB端口接口。這樣，萬用表讀數(shù)就能與載入PC中Excel電子表格的各代碼對應(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。