靈活、高精度、低漂移的PLC/DCS模擬輸出模塊
[導讀]電路功能與優(yōu)勢
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)應用的大部分要求。AD5
電路功能與優(yōu)勢
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)應用的大部分要求。
電路描述
AD5751是一款單通道、低成本、精密電壓/電流輸出驅(qū)動器，設計用于滿足工業(yè)過程控制應用的需要。AD5751的工作電壓范圍是10.8 V至55 V，電壓輸出可以高達44 V。電壓輸出范圍可以編程為PLC和DCS應用的標準輸出范圍及20%超范圍設置：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。電流輸出通過單獨的引腳提供，可以編程為以下標準范圍：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公共基準源工作。整個系統(tǒng)都能受益于ADR444的超低噪聲和低溫漂特性。ADR44x系列基準源可以流出和流入電流，因此非常適合驅(qū)動基準電壓或電源輸入。AD5662還內(nèi)置一個上電復位電路，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，用來在信號鏈與系統(tǒng)微控制器之間實現(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陶瓷電容進行去耦。更多信息請參見CN0204設計支持包 中的原理圖。用于PLC和DCS應用的器件所需的ESD保護和過壓保護一般遠高于形式上的推薦要求。AD5751的各引腳內(nèi)置ESD保護二極管，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自恢復保險絲(PolySwitch)和肖特基功率二極管，以提供更高電壓的ESD保護、50 mA過流保護和64 V過壓保護。圖1的原理示意圖未顯示可選的外部保護電路，但可以在CN0204設計支持包的詳細原理圖（EVAL-CN0204-SDPZ-SCH pdf文件）中找到： www.analog.com/CN0204-DesignSupport本電路必須構建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實現(xiàn)最佳性能，必須采用適當?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g（請參考指南MT-031——“實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團” 以及 指南MT-101——“去耦技術”）。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。AD5751具有非常靈活并且可配置的輸出范圍，可以滿足應用需要。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。AD5751范圍設置為0 V至5 V。所有其它范圍的測試結(jié)果如表1所列。表1所示測試結(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消除。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常見變化
本電路顯示了一系列驅(qū)動器和DAC產(chǎn)品的一種實施方案，可以從該系列選擇其它器件以實現(xiàn)所需的性能。12位到16位分辨率和0.1%精度是PLC和DCS應用的典型要求。針對不需要16位分辨率的應用，可以使用 AD5620 （12位）和 AD5640 （14位），它們還內(nèi)置基準電壓源。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，均適合多通道應用。AD5750-1 和 AD5750 均為雙極性模擬輸出驅(qū)動器，可以提供±10 V和±20 mA。電路評估與測試
設備要求（可以用同等設備代替）系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)CN-0204電路評估板(EVAL-CN0204-SDPZ)CN-0204評估軟件用于控制外部測試測量設備的軟件（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CN0204評估軟件光盤放進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所示為測試設置的功能框圖。Pdf文件“EVAL-CN0204-SDPZ-SCH”包含CN0204評估板的詳細電路原理圖。此文件位于CN-0204設計支持包中： www.analog.com/CN0204-DesignSupport設置
EVAL-CN0204-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上標有“CON A”或“CON B”的連接器。應使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。將直流輸出電源設置為+25 V、−25 V和+6 V輸出后，關閉電源。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+25 V電源連接到板上標有“12~50VIN”的CN3引腳，將一個−25 V電源連接到板上標有“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，請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。
圖5. 測試設置功能框圖
測試設置好測試設備后，將標有“VOUT”的CN4引腳或標有“IOUT”的CN1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和總誤差需要相當長的時間，因為AD5662 16位DAC的所有電平都需要由34401A設置并測量。利用CD中提供的軟件，可以通過PC設置DAC代碼。需要使用自動測試程序來逐步測試各個代碼并分析數(shù)據(jù)。CD中未提供此程序，必須由客戶根據(jù)測試設置所用特定萬用表的要求予以實現(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。然后根據(jù)業(yè)界標準定義分析這些數(shù)據(jù)，以獲得INL、DNL和總誤差。欲詳細了解參數(shù)定義以及如何從測量數(shù)據(jù)計算INL、DNL和總誤差，請參閱AD5662數(shù)據(jù)手冊的“術語”部分和以下文獻：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊第5章“測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器”，ADI公司
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