评估和设计支持


电路评估板


CN0418 参考设计板(EVAL-CN0418-ARDZ)


超低功耗 Arduino 尺寸开发板(EVAL-ADICUP3029)


设计和集成文件


原理图、布局文件、物料清单、软件

 

说明:ADI 公司的 Circuits from the Lab®参考设计由 ADI 公司的工程师设计构建。每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范,电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和检验。然而,您需自行负责测试电路,并确定对您是否适用。因而,ADI 公司将不对由于任何原因、任何与 Circuits from the Lab 电路连接的物品所导致的直接、间接、特殊、偶然、必然或者惩罚性的损害负责。

 

电路功能与优势


图 1 所示的电路提供了一个完整的完全隔离式高度灵活的 4 通道模拟输出系统,适合工业级可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)和其他工业过程控制应用,这些应用要求采用±5 V 或±10 V 电压和 4 mA 至 20 mA 电流输出,且采用 HART 连接。


所有 4 通道输出和功率输入都具有瞬态过压和过流事件保护功能,适合最恶劣的工业环境。


CN0418 电源输入电路包含板载滤波和保护功能,兼容 12 V 至 36 V 的直流电源电压,包括许多 PLC 和 DCS 应用中常见的标准 24 V 电源。
该模块兼容 HART,提供了一个完整的现场通信解决方案,简单易用、低成本、低功耗且极其可靠。


片内动态功率控制功能最大限度地降低封装在电流输出模式下的功耗,对于使用多个电路的高通道数和高密度应用,可以帮助缓和热管理方面的问题。


地址选择逻辑支持最多堆叠 4 个电路,在单个节点上提供最多 16 个通道,让 4 个输出的电源之间保持隔离。板载电子可擦除可编程只读存储器(EEPROM)可以存储校准和标识数据。

 

图 1. 集成变压器隔离电源解决方案的 4 通道多路复用 HART 模拟输出电路(简化原理图:未显示所有连接和解耦)

 

电路描述


工业控制模块中常用几种标准电压和电流范围,包括±5 V、±10 V、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、4 mA 至 20 mA,以及 0 mA 至 20 mA。AD5755-1 在全集成、低成本的单芯片解决方案中,以 16 位分辨率提供所有这些范围。电压输出范围还提供 20%的超量程特性。每个 DAC 通道都有一个增益和失调寄存器,用于消除整个信号链的增益和失调误差。


电流输出和电压输出通过独立引脚提供,给定时间内仅一个输出类型处于有效状态,因而允许将两个输出引脚连在一起并接到单个端口上。当使能电流输出时,电压输出处于三态模式;当使能电压输出时,电流输出为三态模式。模拟输出受短路和开路保护。


AD5755-1 支持内部或外部精密电流设置电阻用于电压 - 电流转换电路,如图 2 所示。输出电流值在全温度范围内的稳定性取决于电流设置电阻 RSET 值的稳定性。作为提高输出电流在整个温度范围内的稳定性的一种方法,可将一个外部 15 kΩ低漂移电阻连接到 AD5755-1 的 RSET_x 引脚,以取代内部电阻。外部电阻通过 DAC 控制寄存器进行选择。高精度测量通过两种选项进行评估,详见“电路评估与测试”部分。

 

图 2. 电压 - 电流转换电路

 

精密基准电压源的选择


AD5755-1 有一个片内 10 ppm/°C(最大值)基准电压源。为了提高在整个温度范围内的性能,该设计采用一个 ADR02 基准电压源,其最大漂移为 3 ppm/°C(B 级,SOIC 封装)。基准输入端的电压用于为 DAC 内核提供经缓冲的基准电压。因此,任何基准电压误差都会反应到输出端。


ADR02 是一款 5 V 精密基准电压源,允许高达 36 V 的输入电压。ADR02 的最大精度误差为 0.06%,最大温度漂移为 3 ppm/°C(B 级,SOIC 封装)。该漂移在−40°C 至+100°C 工业温度范围内会贡献大约 0.02%误差。


ADR02 的长期漂移为 50 ppm(典型值),0.1 Hz 至 10 Hz 额定噪声为 10 μV p-p(典型值)。


动态功率控制


AD5755-1 集成基于 DC-DC 升压转换器电路的动态功率控制功能,在电流输出模式下可降低功耗。多数 PLC 电流输出电路都采用一个固定电压源,以满足整个负载电阻值范围内的顺从输出电压要求。例如,在驱动 20 mA 时,一个负载为 750 Ω的 4 mA 至 20 mA 环路就要求顺从电压不低于 15 V。但在将 20 mA 驱动至 50 Ω负载时,则只需要 1 V 的顺从电压。如果在驱动 50 Ω负载时,15 V 的顺从电压保持不变,则会浪费 20 mA × 14 V = 280 mW 的功率。


AD5755-1 电路通过检测输出电压,调节顺从电压,不论负载电阻有多大,只允许少量的裕量电压,由此大幅降低这种功率损失。AD5755-1 最多可以将 24 mA 驱动至 1 kΩ的负载。


DC-DC 转换器工作原理


AD5755-1 内置 4 个独立的 DC-DC 转换器,用于为各个通道的 VBOOST_x 电源电压提供动态控制。图 3 所示为 AD5755-1 与各通道相关的外部分立式组件。

 

图 3.DC-DC 电路

 

建议在 CDCDC 之后放置一个 10 Ω、100 nF 低通 RC 滤波器。虽然该器件会消耗少量电能,但会减少 VBOOST_x 电源上的纹波。


DC-DC 转换器采用一种恒频、峰值电流模式控制方案,以将 4.5 V 至 5.5 V 的 AVCC 输入升压,从而驱动 AD5755-1 输出通道。这些转换器设计用于工作在断续导通模式(DCM),占空比小于 90%(典型值)。


当通道被设置采用电流输出范围时,转换器将 VBOOST_x 电源的值调节到 7.4 V (±5%)或(IOUT_x × RLOAD + headroom),以较高者为准。在电流输出模式下,若输出被禁用,转换器将把 VBOOST_x 电源调节至 7.4 V (±5%)。在电压输出模式下,若输出被禁用,转换器将把 VBOOST_x 电源调节至 15 V (±5%)。有关 DC-DC 转换器工作情况的详情,请参见 AD5755-1 数据手册。

 

数字压摆率控制


AD5755-1 的压摆率控制特性允许用户控制输出值的变化速率。这个特性适用于电流和电压输出,支持实现两种重要功能:当输出从低值摆动至高值时,它可以减低来自 AVCC 的瞬变电流,它还可以降低对 HART 通信的干扰。


通过禁用压摆率控制特性,输出值以受输出驱动电路和所连负载限制的速率变化。通过压摆率控制寄存器的 SREN 位使能压摆率特性后,输出以压摆率控制寄存器可以访问的 SR_CLOCK 和 SR_STEP 两个参数所定义的速率,在两个电平值之间摆动。


在以下等式中,压摆率为步长、更新时钟频率和 LSB 大小的函数:

 

 

其中:


压摆时间用秒表示。


输出变化表示为 A(针对 IOUT_x)或 V(针对 VOUT_x)。


更多信息请参考 AD5755-1 数据手册。

 

瞬态电压保护


AD5755-1 内置 ESD 保护二极管,可防止器件在一般工作条件下受损。但是,工业控制环境可能会使输入 / 输出(I/O)电路遭受高得多的电压瞬变。为了防止 AD5755-1 受到过高的电压瞬变,需要把一个 24 V 瞬变电压抑制器(TVS)置于 IOUT_x/VOUT_x 连接上,如图 4 所示。

 

图 4. 输出瞬态电压保护


为提供进一步保护,IOUT_x 和 VOUT_x 引脚与 VBOOST_x 和 AVSS 电源引脚之间连接有钳位二极管。另外还使用一个 5 kΩ限流电阻,它与+VSENSE_x 输入端串联,用以将瞬变事件期间的电流限制在合理范围内。AD5700 HART 调制解调器建议采用包含 150 kΩ电阻的外部带通滤波器,这样可以将电流限制在足够低的水平,如此便无需采用额外的保护电路,即使在最严苛的工业环境下也是如此。

 

输入电源保护


通过一个 2 线或 3 线接口,把一个稳压工业标准电源(例如 12 V 或 24 V 直流电源)连接到 EVAL-CN0418-ARDZ 电路板。该电源必须采取故障和电磁干扰(EMI)保护措施,如图 5 所示。

 

图 5. 输入电源瞬变电压保护


VR1、VR2、VR3 和 VR4 是金属氧化物压敏电阻浪涌抑制器,F1 是 1 A 可复位保险丝。该电路确保参考设计系统能够承受电源端口可能产生的干扰和瞬变。参考《模拟对话》43-04,2009 年 4 月发布的 PLC 评估板简化工业过程控制系统的设计,了解更多信息。

 

电源电路


EVAL-CN0418-ARDZ 板由 12 V 至 36 V 直流供电,利用板载开关稳压器向平台板提供 7.5 V 电源,如图 6 和图 7 所示。在测试设置中,EVAL-ADICUP3029 板的供电电源为 7.5V。然后,EVAL-ADICUP3029 板为 IO_VREF 引脚(参考图 7)提供 3.3 V 调节电压,为其余电路提供 5 V 电压。


ADP2441 是 36 V 降压 DC-DC 稳压器,采用工业标准 24 V 电源,具有宽输入电压容差。ADP2441 将输入电压降至 7.5 V(1 A)用于平台板,并利用 Arduino 兼容平台通常带有的 5 V 稳压器为 EVAL-CN0418-ARDZ 其余部分提供 5 V 电源。电路在 24V 电源端还提供了滤波和保护功能。


ADP2441 的开关频率很高,因此,即使只用小型电感,输出电压的纹波也非常小。电感的大小需权衡效率和瞬态响应决定。小型电感会引起较大的电感电流纹波,能提供更出色的瞬态响应,但会降低系统效率。由于 ADP2441 的开关频率非常高,因此建议使用低磁芯损耗、低 EMI 的屏蔽铁氧体磁芯电感。


在图 6 所示电路中,外部电阻为 162 kΩ时的开关频率约为 550 kHz。根据 ADP2441 数据手册选择 33 μH 的电感值。该电路通过螺丝端子连接到 12 V 至 36 V 的现场电源。EARTH 端子可以连接到外部大地连接,如若未使用外部大地连接,则可连接到 GND 端子。功率电感、压敏电阻、功率二极管和 1.1 A 保险丝为高压瞬变事件提供额外的输入保护。


隔离电源由 LT8301 非光学隔离反激式转换器产生。具有 4 抽头二次绕组的变压器提供隔离,并产生+16 V、−16 V 和+5 V 电源。通过对原边反激式波形采样来调节输出电压,无需采用光学隔离器、辅助检测绕组或其他隔离反馈方法。


LT8301 被用于调节多重输出电路中负载最大的输出。AD5755-1 给出了+16 V 电源、−16 V 电源和+5 V 供电轨的一系列加载条件。表 1 显示在各种负载条件下,满足 AD5755-1 要求的电源电压。

 

图 6. 电源电路(简化原理图:未显示所有连接)

 

图 7.EVAL-CN0418-ARDZ 电路板的电源树和配置

 

表 1. 变压器隔离式供电轨电压

 


AD5755-1 具有较宽的电源电压范围,但将电路集成到客户系统之前,必须先对其实施全面评估。验证 LT8301 在所有正常负载、故障条件下,以及在预期的输入电源电压范围内,在 AD5755-1 数据手册列出的允许范围内,保持隔离电源调节。


HART 耦合


AD5755-1 有四个 CHARTx 引脚,分别对应于四个输出通道。HART 信号可以耦合至这些引脚,并出现在对应的电流输出端(如果该输出已使能)。表 2 给出了 CHARTx 引脚上的 HART 信号的推荐输入电压。如果使用这些电压,电流输出应符合 HART 幅度要求。图 8 所示为将 HART 信号衰减和耦合至 AD5755-1 HART 输入的推荐电路。


表 2.CHARTx 输入电压和 HART 输出电流

 

图 8. 耦合 HART 信号


为了确保 1.2 kHz 和 2.2 kHz HART 频率不会在输出端大幅衰减,C1 + C2 必须达到某一最小值。推荐值为:C1 = 22 nF,C2 = 47 nF。为了达到 HART 的模拟变化速率要求,必须以数字方式控制输出的压摆率。

 

数字隔离


ADuM3151 和 ADuM3482 为 3.75 kV 四通道数字隔离器,采用小型 20 引脚 SSOP 封装(7.2 mm × 7.8 mm)。隔离器内核工作电压范围为 3.0 V 至 5.5 V,而 I/O 电源范围为 1.8 V 至 5.5 V。这些器件可用于直接与 1.8 V 逻辑器件接口。此设计中的 ADuM3151 隔离来自 AD5755-1 的 SPI 信号和和管控 ADG759 四通道多路复用器地址行的 GPIO 信号,ADUM3482 则隔离 AD5700-1 HART 调制解调器的 UART 信号。拼接电容是通过重叠内部平面在印刷电路板(PCB)内部实现的,以减少 EMI 辐射和板噪声。有关 EMI 缓解技术的更多信息,请参考 AN-0971 应用笔记“isoPower 器件的辐射控制建议”。

 

INL 和 DNL 性能


使用变压器隔离开关电源,测试 AD5755-1 的积分非线性(INL),如图 9 所示。AD5755-1 数据手册将电流输出和电压输出在整个温度范围内的 INL 都规定为±0.006% FSR,无论采用的是内部 RSET 还是外部 RSET。图 9 和图 10 显示,实测结果完全在该规定范围之内。

 

图 9. 测量的电压输出 INL/DNL,通道 A

 

图 10. 测量的电流输出 INL/DNL,通道 A

 

绝对精度性能


在电流输出模式下,使用内部 RSET 时,AD5755-1 的总非调整误差(TUE)为±0.11% FSR(最大值,25°C)。ADR02 参考(B 级)的总误差为 0.06%(最大值,25°C)。


表 3 所示为通道 A 电路在 4 mA 至 20 mA 范围内的实测电流输出误差,其中,负载为 500 Ω,使用的是内部 RSET。表 3 总结通道 A 的结果(使用内部 RSET),但它可代表所有 4 个通道。全部结果均位于预期值范围内。

 

表 3. 实测 IOUT_A 误差(4 mA 至 20 mA 范围)

 


对电压输出模式进行了类似的测量,其中 AD5755-1 TUE 额定值为±0.03% FSR(最大值,25°C)。表 4 所示为通道 A 的结果。剩下的三个通道结果与其相似。


表 4. 实测 VOUT_A 误差(±10 V 范围)

 


HART 兼容性

 

图 11. 在 500 Ω负载下测得的 FSK 波形

 

图 11 所示为在 500 Ω负载电阻、IOUT_A 上测得的 1200 Hz 和 2200 Hz 频移键控(FSK)频率。通道 1 显示耦合至 AD5755-1 输出中的调制 HART 信号(设置为 4 mA),通道 2 显示 AD5700-1 TXD 信号。


要与 HART 兼容,电路必须符合 HART 物理层规范。HART 规范文档中包含了众多物理层规范。为了评估硬件性能,本电路笔记中考虑的两项规格为静默期间的输出噪声和模拟变化率。

 

静默期间的输出噪声测试


当 HART 器件没有进行传输(静默)时,不应将 HART 扩展频带中噪声耦合到网络上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上其它设备对 HART 信号的接收。


对于在 500 Ω负载上测得的电压噪声,其包含的 HART 扩展频带中的宽带噪声和相关噪声总和不能超过 2.2 mV rms。此外,该频带外的噪声不应超过 138 mV rms。


此噪声通过在 500 Ω负载上连接 HCF_TOOL-31 滤波器(可从 HART 通信基金会获得)并将滤波器输出连接到真均方根测量仪来测量。用示波器来检查输出波形。

 

图 12.HCF_TOOL-31 输入端静默波形下的输出噪声

 

模拟变化率


这一技术规范可确保当设备调节电流时,模拟电流的最大变化率不会干扰 HART 通信。电流的阶跃变化会扰乱 HART 信号。最差情况下的模拟输出电流变化一定不能产生高于 15 mV 峰值电压的干扰,此数值在 HART 扩展频带下,通过对 500 Ω负载进行测量得到。符合这一要求可确保模拟信号的最大带宽处于规定的直流至 25 Hz 频带中。


对于该测试,HCF_TOOL-31 再次连接 500 Ω负载,就如静默期间噪声测试中一样;同时将一个示波器连接至其输出端。这次,不是将 AD5755-1 输出设为一个固定的输出电流,而是将 AD5755-1 编程为输出周期波形,从 4 mA 切换至 20 mA。为了达到要求的系统规格,通过 AD5755-1 的数字压摆率控制功能对输出电流变化幅度进行限制。关于此特性的详细说明,请参阅 AD5755-1 数据手册。在该测试中,SR_CLOCK 和 SR_STEP 分别设为 64 kHz 和 16 LSB,得到 64 ms 的压摆时间。结果如图 13 所示。通道 1 显示 AD5755-1 IOUT_A 在 4 mA 至 20 mA 范围内的信号阶跃,这是在 500 Ω负载下检测的,并且连接到带通滤波器的输入端。滤波器的输出(增益系数为 10)可在通道 2 上看到。峰值在前面提到的 150 mV 峰值限值之内。

 

图 13. 模拟变化率波形 IOUT_A

 

常见变化


对于只要求电流输出的应用,AD5757 可用于替代 AD5755-1。如果需要的分辨率低于 16 位,则 AD5737 可使用 12 位的。 


对于接近或以 AD5755-1 的最大电流运行的应用,请使用 DC2906A 演示手册中显示的电源解决方案(基于 LT8302),它提供更高的输出功率。


可用 AD5700 调制解调器取代 AD5700-1,但需要一个外部晶振或者 CMOS 时钟,因为 AD5700 并不具备 AD5700-1 提供的内部振荡器选项。详见 AD5700 数据手册和 AD5700-1 数据手册。


对于单通道应用,请参阅电路笔记 CN0321“具有 HART 连接的完全隔离、单通道电压、4 mA 至 20 mA 输出”。

 

电路评估与测试


所提供的软件面向 EVAL-ADICUP3029 平台,但其设计也可轻松移植到其他微控制器平台。移植到其他平台时,请务必全面检查硬件兼容性,包括电压电平和功能。

 

图 14.EVAL-CN0418-ARDZ 板

 

需要的设备


操作需要使用以下设备:


●    EVAL-CN0418-ARDZ 参考设计板


●    串行终端程序,如 Tera Term 或 Putty


●    EVAL-ADICUP3029 开发板


●    PC(Windows® 32 位或 64 位)


●    24 V 电源,例如 Agilent E3631A


●    精密电压和电流表,例如 Agilent 3458A


●    4 个 500 Ω精密负载电阻


●    示波器(Tektronix TDS2024B 或等效器件)


●    USB A 型转 micro USB B 型


●    CN0418 软件

 

开始使用


有关设置的更多信息和完整细节,请参阅 CN0418 用户指南。

 

软件安装


安装软件请遵循下列步骤:


1.    将 EVAL-CN0418-ARDZ 连接到 EVAL- ADICUP3029 板上。


2.    使用附带的电缆,通过 PC 的 USB 端口连接 EVAL-ADICUP3029 板。


3.    对端子板 P1 连接器施加 24 V 电压,使 EVAL-CN0418-ARDZ 上电。


4.    将固件上传至 EVAL-ADICUP3029。

 

功能框图


图 15 所示为测试设置的功能框图。

图 15. 测试设置功能框图

 

遵循下方的基本设置步骤:

 

1.    将 EVAL-CN0418-ARDZ 连接到 EVAL- ADICUP3029,如图 16 所示。

 

图 16.EVAL-CN0418-ARDZ 板连接至 EVAL-ADICUP3029

 

2.    如果尚未安装跳线,请将盒中提供的跳线按照图 17 所示的相同配置进行安装。

 

图 17.P9 和 P10 的默认并联跳线位置;双列直插式(DIP)开关,处于“开”位置

 

3.    对 EVAL-CN0418-ARDZ 的 P17 跳线施加 24 V 直流电压。


4.    将 EVAL- ADICUP3029 的 micro USB 电缆连接至 PC。


5.    使用命令行中断程序(例如 Putty、Telnet 或 Tera Term)打开串行终端窗口。


关于如何设置硬件和软件,并与计算机连接,请参考 CN0418 用户指南。