CN0321 經驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩定地工 作，并具有良好的精度。如果應用只需要 4 mA 至 20 mA 電流 輸出，則可以使用單電源方案。這種情況下， AD5422 的正 AV DD 電源可以達到比如 24 V ，而輸出順從電壓為 24 V ? 2.5 V = 21.5 V 。輸出電流為 20 mA 時，可以驅動高達 1kΩ的負載 電阻。 如果應用不需要 16 位分辨率，可以使用 12 位產品AD5412對于僅需電流輸出的應用，可以使用AD5420(16位) 和 AD5410 (12位) 對于需要在同一個引腳輸出電壓和電流的應用，參見電路筆記CN-0278中的技巧。 若不需要過壓保護，則可以采用數值較低的最大電源電 壓，如 ADR4550或 ADR445。 ADuM347x隔離器( ADUM3470, ADuM3471, ADuM3472, ADuM3473和ADuM3474)提供四個獨立的隔離通道，支持 多種輸入 / 輸出通道配置。這些器件還提供 1 Mbps(A 級 ) 或 25 Mbps(C 級 ) 的最大數據速率。 可使用 AD5700調制解調器，而非 AD5700-1；但需要使用 外部晶體或 CMOS 時鐘。 模擬輸出 對于工業控制模塊，標準模擬輸出電壓和電流范圍包括 ±5 V 、 ±10 V 、 0 V 至 +5 V 、 0 V 至 +10 V 、 +4 mA 至 +20 mA 和 0 mA 至 +20 mA 。AD5422是一款精密的、全集成 16 位 DAC ， 內置可編程電流源和可編程電壓輸出，設計用于滿足工業 過程控制應用的需要。 AD5422提供前面列出的所有輸出范圍，電流輸出范圍和電 壓輸出范圍分別以獨立引腳提供。針對所有電壓范圍提供 10% 超量程功能，并且針對電流輸出提供 0 mA 至 20 mA 超量 程。模擬輸出受短路和開路保護。 AD5422具有一個片上 10 ppm/°C 基準電壓源。為了在額定溫度 范圍內達到更高的性能，該設計使用了ADR02基準電壓源。ADR02是一款 5 V 精密基準電壓源，允許高達 36 V 的輸入電 壓。其最大精度誤差為 0.05% ，最大溫度漂移為 3 ppm/°C 。 該漂移在工業溫度范圍內會貢獻大約 0.02% 誤差。 AD5422支持以內部或外部精密電流設置電阻作為電流輸出 電路。本設計使用內部電流檢測電阻選項；但通過使用精 密外部 15 kΩ電阻，可達到更高的精度。 通過浮空 AD5422的DVCCSELECT引腳，內部4.5 V電源可連接至DVCC引腳，用于AD5700-1的數字電源和隔離器的現場端。也可使用 ADuM3471上的5 V輸出型低壓差(LDO)穩壓器。LDO提供更緊湊的5 V穩壓供電軌；但由于ADuM3471穩壓器輸入引腳上的絕對最大額定值，它不允許高于20 V的直流過壓。 EVAL-CN0321-SDPZ硬件的輸出連接器配置見表1 表1.輸出引腳 引腳名稱 輸出類型 OUT2 電壓輸出范圍 GND 接地 OUT1 電流輸出范圍 HART兼容性 AD5700-1與 AD5422搭配使用，組成完整的 HART 兼容型 4 mA 至 20 mA 解決方案。 AD5700-1是 0.5% 精密內部振蕩器，可極 大節省在通道間隔離的應用中的板上空間；這類應用原本 需要針對每通道使用時鐘晶體。晶體通常比AD5700-1IC 本 身要大；因此，內部振蕩器節省下來的面積空間是巨大的。 HART 調制解調器輸出通過 C1 和 C2 衰減，并通過 CAP2 引腳 交流耦合至AD5422。其他信息參見 AN-1065應用筆記?。電路筆記CN-0278描述了一種使用 R SET 引腳的替代HART耦合方式，具有更高的電源抑制性能，但需要使用一個外部精確電流設置電阻。 隔離電源 AD5422需要的電壓輸出裕量最大值為 0.8 V ，并且電流輸出 需要最大值為 2.5 V 的裕量。因此，需要一個大于 12.5 V 的電 源，以便通過 500Ω負載輸出 20 mA 電流。在本設計中，最 小電源電壓 ( 過溫 ) 不超過 13.5 V ，允許具有一定裕量。 ADuM347x為四通道數字隔離器，集成脈沖寬度調制 (PWM) 控制器和低阻抗變壓驅動器 (X1 和 X2) 。隔離式 DC/DC 轉換器僅需要以下額外器件：變壓器和簡單的全波 二極管整流器。采用 5.0 V 或 3.3 V 輸入電源時，器件最多可 提供 2 W 的調節隔離功率，因而無需另外使用隔離式 DC-DC 轉換器。 iCoupler?芯片級變壓器技術用于隔離邏輯信號；集成的變 壓器驅動器帶隔離副邊控制功能，可以提高隔離式 DC/DC 轉換器的效率。內部振蕩器頻率可以在 200 kHz 至 1 MHz 范 圍內調整，由 R OC 的值決定。當 R OC = 100 kΩ時，開關頻率 為 500 kHz 。 ADuM3471調節來自 15 V 正電源。調節反饋來自分壓器網絡 (R1 和 R2) 。電阻根據以下要求選擇：當輸出電壓為 15 V 時， 反饋電壓為 1.25 V 。反饋電壓與ADuM3471內部反饋設定點電壓1.25 V相比較。調節通過改變驅動外部變壓器的 PWM 信號的占空比來實現。 負電源的調節不太嚴格，且空載時可能低至 ?26.4 V 。因此，在負電源處放置一個25V齊納二極管。輕載時，二極管從電 源獲取小電流，但可確保其箝位在 25 V 左右。 另一種方法是使用匝數比為 4:1 的隔離式變壓器；當其空載時，負供電軌不會過低。在要求較高順從電壓或極低功耗 的應用中，應當考慮其它電源設計。 輸入功率 圖 1 中的電路采用 24 V 電源供電。 ADP2441用于將 24 V 降壓 為 5 V ，為所有控制器側電路供電。 ADP2441可接受最高 36 V 的電壓，并且可更加輕松地達到可 靠的電源輸入瞬變保護。 ADP2441還具有其他各種安全性 / 可靠性功能，如欠壓閉鎖 (UVLO) 、精確使能特性、電源良好引腳和過流限值保 護。對于 24 V 輸入和 5 V 輸出，它能達到最高 90% 效率。 隔離 ADuM3471電源隔離電路包括四個完全隔離的電壓通道，隔離額定值為2.5 kV。這四個通道用于隔離AD5422的四條數據線路(SCLK、LATCH、SDIN和SDO)。SDO線路隔離對于電路運行而言并非必要，但允許訪問診斷和故障特性，以及寄存器回讀。 ADuM3482是一款3.75 kV四通道數字隔離器，采用小型20引腳SSOP封裝(7.2 mm × 7.8 mm)。 ADuM3482內核工作電壓范圍為3.0 V至5.5 V，而I/O電源范圍為1.8 V至5.5 V。這些器件可用于直接與1.8 V邏輯器件接口。該隔離器用于隔離AD5700-1 HART調制解調器的UART信號。 有關i產品的更多信息，請訪問 www.analog.com/icoupler. 直流過壓保護 圖 1 中的電路允許對持續的直流電壓 +36 V 和 ?28 V 進行過壓 保護。這意味著，在直流電源線路意外連接輸出時，電路 受到保護。 在過壓條件中，電源通過外部保護二極管拉高或拉低。這 些二極管和輸出端之間的電阻限制了峰值電流。 輸出端的最大 / 最小電壓受限于任意連接輸出或電源電路的 擊穿電壓。 AD5422的電流和電壓輸出可耐受 +48 V 至最低 ? 28 V 。 AV SS 輸入可耐受 ?28 V ， AV DD 可耐受 +48 V 。 ADR02基準電壓源輸入可耐受 36 V 。 AD5700-1的 ADC_IP 引腳受 150 kΩ電阻保護，該電阻限制所有電流，后接一個 300 pF 隔直電容。在直流過壓條件下，勿將其他 IC 暴露在較高的 電壓下。 瞬變電壓保護 AD5422內置 ESD 保護二極管，可防止正常操作造成的損 害。但是，工業控制環境會使 I/O 電路遭受高得多的瞬 變。為了防止過高瞬態電壓影響 AD5422，可能需要外部功 率二極管和浪涌電流限制電阻，如圖 1 所示。 對電流輸出路徑上電阻值的制約條件 ( 圖 1 中的 18 Ω) 是：正 常工作時， I OUT 輸出電平必須保持在其順從電壓限值內， 即 AV DD ? 2.5 V ，并且兩個保護二極管和電阻必須具有適當 的額定功率。在 18 Ω 下，對于 4 mA 至 20 mA 輸出，引腳上 的電壓限值會降低 V = IMAX × R = 0.36 V. 對電壓輸出路徑上電阻值的制約條件 ( 圖 1 中的 100 Ω) 是： 整個輸出電壓范圍內必須具有 0.8 V 裕量。電阻效應可通過 +V SENSE輸入降至最低。如圖 1 所示， +V SENSE 輸入受 22 Ω 電阻 保護。相應地， ?V SENSE 路徑上還有一個 22 Ω 電阻。這兩個 22 Ω 電阻會導致絕對增益誤差，該誤差可能需要在室溫下 加以校準；產生該誤差的原因是 AD5422的內部反饋電路阻 抗僅為70kΩ。在 AD5422的輸出端 ( 而非 V OUT 引腳 ) 檢測電壓 的優勢是， V OUT 引腳的保護電阻兩端具有可變電壓，具體 取決于所獲取的負載電流。在輸出端檢測可避開此誤差源。 還可以通過瞬態電壓抑制器 (TVS) 或瞬態吸收器實現進一 步的保護。這些元件包括單向和雙向抑制器，可提供各種 各樣的隔離和擊穿電壓額定值。 TVS 應盡量采用最低擊穿 電壓定標，同時在電流正常輸出的范圍內不導通。如前所述，建議保護所有遠程連接節點。 設備要求 需要使用以下設備： ?EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP-B) ?EVAL-CN0321-SDPZ評估板和軟件 PC(Windows?32位或64位) 24 V電源 精密電壓表，如Agilent 34410A 數字測試濾波器(如HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會獲得) 500 Ω精密負載電阻 Tektronix DS1012B示波器或等同產品 ? 圖2.測試設置功能框圖 ? 測試設置功能框圖 測試設置的框圖如圖2所示。 軟件安裝 評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)、Vista(32位或64位)，或Windows 7(32位或64位)。如果安裝文件未自動運行，可以運行光盤中的setup.exe文件。 請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識別評估系統。 使用附帶的電纜，通過PC的USB端口連接EVAL-SDP-CB1Z 連接EVAL-CN0321-SDPZ評估板至連接器A。若使用了連接器B，則EVAL-SDP-CB1Z的UART將無法正常工作。 對J1連接器施加 24 V，可上電EVAL-CN0321-SDPZ 啟動 EVAL-CN0321-SDPZ軟件，然后確認出現的所有對話框。這樣就完成了安裝。 軟件 軟件主窗口如圖3所示。點擊Advanced可提供配置 AD5422的更多選項。 ? 圖3.軟件主窗口 ? 對于HART通信而言，確保開啟了電流輸出范圍，然后選擇HART頁面。在HART頁面上，數據可輸入Command命令框，然后發送4 mA至20 mA環路；軟件可以設為輪詢4 mA至20 mA環路上的任意數據。也可選擇HART Query頁面，查詢所連接HART兼容型執行器的器件地址和器件類型。 絕對精度性能 在電流輸出模式下，AD5422使用內部RSET的總不可調整誤差(TUE)規格為0.08%FSR(典型值，25°C)。 ADR02基準電壓源(B級)的總誤差為0.06%最大值(25°C)。 表2 測量電流輸出誤差(4mA至20mA范圍) 代碼(十六進制) 輸出端電流(mA) 誤差(%FSR) 0000 3.992 -0.049 4000 7.995 -0.034 8000 11.997 -0.018 B000 16.000 +0.001 FFFF 20.003 +0.020 結果位于預期值范圍內。 類似地，對于電壓輸出模式， AD5422的TUE為0.01%FSR(典型值，25°C)。 ADR02基準電壓源(B級)的誤差為0.06%最大值(25°C)。 表3顯示±10 V輸出范圍內，電路的測量電壓輸出誤差。 表3 測量電壓輸出誤差(±10V范圍) 代碼(十六進制) 輸出端電流(mA) 誤差(%FSR) 0000 -10.010 -0.050 4000 -5.005 -0.023 8000 +0.001 +0.003 B000 +5.006 +0.031 FFFF +10.011 +0.057 表3中的電壓輸出包括AD5422電路+VSENSE和?VSENSE輸入上的22Ω保護電阻誤差。+VSENSE和?VSENSE輸入內部連接至數值約為70 kΩ的反饋電阻。額外的22 Ω電阻從外部加入約為22Ωk/70Ωk(或0.031%)的增益誤差。該初始誤差可通過校準消除。 積分非線性(INL)性能 AD5422的INL在線性電源和隔離式DC/DC開關電源兩種情況下進行測試，確保系統精度不會因為開關電源而有所損失。圖4顯示的是線性電源以及開關電源下的INL。與線性電源相比，使用開關電源時性能沒有明顯損失。 ? 圖4.使用線性電源和開關電源的電路實測INL ? 此外還測試并比較了線性電源和開關電源兩種情況下一定時間內的平均輸出噪聲，如圖5所示。注意，一定時間內測得的輸出噪聲存在細微的偏差。這一偏差不超過1 LSB，可能由略為不同的測量設置引入，或兩次測量間隔期間的基準電壓漂移引入。 ? 圖5.實測平均DAC輸出噪聲，1000次采樣，電表設為NPLC = 1 ? HART兼容性 圖1中的電路要與HART兼容，必須符合HART物理層規范。HART規范文檔中包含了眾多物理層規范。為了評估硬件性能，采用靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率測試。 靜默期間的輸出噪聲測試 當HART設備沒有進行傳輸(靜默)時，噪聲不應耦合至網絡上。噪聲過高可能會干擾設備本身或網絡上的其它設備對HART信號的接收。 對于在環路中的500Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和HART擴展頻帶中的相關噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外，HART擴展頻帶外的噪聲不應超過138 mV rms。 500Ω負載上的噪聲采用真均方根測量儀測得。此噪聲作為帶外噪聲直接進行測量，作為帶內噪聲通過HCF_TOOL-31濾波器測量。還需要使用示波器來檢查噪聲波形。 圖6顯示捕獲的噪聲波形，結果總結在表4中。 ? 圖6.靜默波形下的輸出噪聲 ? 表4.靜默期間的輸出噪聲 輸出噪聲 測得值 (mV) 擴展頻率范圍以外 0.6 <138 擴展頻率范圍以內 0.126 <2.2 模擬變化率 模擬變化率測試可確保器件調節模擬輸出電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號傳輸。 最差情況下的模擬輸出電流變化一定不能產生高于15 mV峰值電壓的干擾，此數值在HART擴展頻帶下，通過對500Ω負載進行測量得到。 AD5422 DAC和輸出驅動器相對較快。因此，為了滿足所需的系統規格，輸出電流變化受限于使用 AD5422 CAP1和CAP2引腳電容時的硬件壓擺率限值，以及 AD5422的數字壓擺率控制特性。詳見AN-1065應用筆記。 使用一個示波器執行該測試，并通過HCF_TOOL-31濾波器耦合至500Ω負載。 結果如圖7所示。4 mA至20 mA輸出線路(見圖7中的藍線)顯示4 mA和20 mA之間的周期性步進，直接在500Ω負載上測得。濾波器放大10倍的輸出(見圖7中的紅線)是HCF_TOOL-31濾波器輸出端捕獲的信號，將其放大10倍，并處于150 mV峰值限制之內。 ? 圖7.模擬變化率波形 ? CN0321 具有HART的完全隔離、單通道電壓、4 mA至20 mA輸出 該電路提供一款完整的、完全隔離、模擬輸出通道，適合需要標準4mA至20 mA HART?1-兼容型電流輸出和單極性/雙極性輸出電壓范圍的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)模塊。它為通道間隔離PLC/DCS輸出模塊或其他所有需要完全隔離式模擬輸出的工業應用提供了靈活的構建塊。電路在模擬輸出端還提供了外部保護功能。 AD5422 16位數模轉換器(DAC)可通過軟件配置，提供全部必須的電流和電壓輸出。 AD5700-1是業界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調制解調器，與AD5422配合使用，組成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解決方案。AD5700-1集成內部精密振蕩器，可額外節省空間，尤其在通道間隔離應用中。PLC/DCS解決方案必須與本地系統控制器隔離，使之免受接地環路影響，同時確保不受外部事件影響。傳統解決方案利用分立IC提供電源和數字隔離。當需要多通道隔離時，分立電源解決方案的成本和空間會變成一個大大的缺點。基于光隔離器的解決方案通常具有合理的輸出調節，但需要額外的外部元件，因而會使電路板面積增大。電源模塊常常體積龐大，而且輸出調節可能不佳。圖1中的電路使用ADuM347x 系列隔離器和電源調節電路，以及相應的反饋隔離。使用外部變壓器將功率傳輸到隔離柵的另一端。 ADuM3482為 AD5700-1提供UART信號隔離。 ADP2441, 是36 V降壓DC-DC穩壓器，采用工業標準24 V電源，具有寬輸入電壓容差。它可將電壓降為5 V，為所有控制器側電路供電。該電路還在24 V電源端集成了標準外部保護，同時還可提供+36 V至?28 V的直流過壓保護。 1 HART is a registered trademark of the HART Communication Foundation. 圖1.功能框圖(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) ? cn0321 CN0321 | circuit note and reference circuit info 具有HART的完全隔離、單通道電壓、4 mA至20 mA輸出 | Analog Devices 該電路提供一款完整的、完全隔離、模擬輸出通道，適合 需要標準4mA至20 mA HART^?1-兼容型電流輸出和單極性/雙極性輸出電壓范圍的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)模塊。它為通道間隔離PLC/DCS輸出模塊或其他所有需要

• 電壓和4mA至20mA輸出
• 完全隔離
• HART 連接能力

(analog)