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適用于帶HART的PLC/DCS系統的完全隔離的4通道模擬輸出電路

作者:時間:2019-09-26來源:電子產品世界收藏

評估和設計支持

本文引用地址:http://www.sncsn.tw/article/201909/405276.htm

電路評估板

CN0418參考設計板(EVAL-CN0418-ARDZ)

超低功耗Arduino尺寸開發板(EVAL-ADICUP3029)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

說明:ADI公司的Circuits from the Lab?參考設計由ADI公司的工程師設計構建。每個電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規范,電路的功能和性能都在實驗室環境中以室溫條件進行了測試和檢驗。然而,您需自行負責測試電路,并確定對您是否適用。因而,ADI公司將不對由于任何原因、任何與Circuits from the Lab電路連接的物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。

電路功能與優勢

圖1所示的電路提供了一個完整的完全隔離式高度靈活的4通道模擬輸出系統,適合工業級可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(DCS)和其他工業過程控制應用,這些應用要求采用±5 V或±10 V電壓和4 mA至20 mA電流輸出,且采用HART連接。

所有4通道輸出和功率輸入都具有瞬態過壓和過流事件保護功能,適合最惡劣的工業環境。

CN0418電源輸入電路包含板載濾波和保護功能,兼容12 V至36 V的直流電源電壓,包括許多PLC和DCS應用中常見的標準24 V電源。

該模塊兼容HART,提供了一個完整的現場通信解決方案,簡單易用、低成本、低功耗且極其可靠。

片內動態功率控制功能最大限度地降低封裝在電流輸出模式下的功耗,對于使用多個電路的高通道數和高密度應用,可以幫助緩和熱管理方面的問題。

地址選擇邏輯支持最多堆疊4個電路,在單個節點上提供最多16個通道,讓4個輸出的電源之間保持隔離。板載電子可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)可以存儲校準和標識數據。

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圖1.集成變壓器隔離電源解決方案的4通道多路復用HART模擬輸出電路(簡化原理圖:未顯示所有連接和解耦)

電路描述

工業控制模塊中常用幾種標準電壓和電流范圍,包括±5 V、±10 V、0 V至5 V、0 V至10 V、4 mA至20 mA,以及0 mA至20 mA。AD5755-1在全集成、低成本的單芯片解決方案中,以16位分辨率提供所有這些范圍。電壓輸出范圍還提供20%的超量程特性。每個DAC通道都有一個增益和失調寄存器,用于消除整個信號鏈的增益和失調誤差。

電流輸出和電壓輸出通過獨立引腳提供,給定時間內僅一個輸出類型處于有效狀態,因而允許將兩個輸出引腳連在一起并接到單個端口上。當使能電流輸出時,電壓輸出處于三態模式;當使能電壓輸出時,電流輸出為三態模式。模擬輸出受短路和開路保護。

AD5755-1支持內部或外部精密電流設置電阻用于電壓-電流轉換電路,如圖2所示。輸出電流值在全溫度范圍內的穩定性取決于電流設置電阻RSET值的穩定性。作為提高輸出電流在整個溫度范圍內的穩定性的一種方法,可將一個外部15 kΩ低漂移電阻連接到AD5755-1的RSET_x引腳,以取代內部電阻。外部電阻通過DAC控制寄存器進行選擇。高精度測量通過兩種選項進行評估,詳見“電路評估與測試”部分。

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圖2.電壓-電流轉換電路

精密基準電壓源的選擇

AD5755-1有一個片內10 ppm/°C(最大值)基準電壓源。為了提高在整個溫度范圍內的性能,該設計采用一個ADR02基準電壓源,其最大漂移為3 ppm/°C(B級,SOIC封裝)。基準輸入端的電壓用于為DAC內核提供經緩沖的基準電壓。因此,任何基準電壓誤差都會反應到輸出端。

ADR02是一款5 V精密基準電壓源,允許高達36 V的輸入電壓。ADR02的最大精度誤差為0.06%,最大溫度漂移為3 ppm/°C(B級,SOIC封裝)。該漂移在?40°C至+100°C工業溫度范圍內會貢獻大約0.02%誤差。

ADR02的長期漂移為50 ppm(典型值),0.1 Hz至10 Hz額定噪聲為10 μV p-p(典型值)。

動態功率控制

AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉換器電路的動態功率控制功能,在電流輸出模式下可降低功耗。多數PLC電流輸出電路都采用一個固定電壓源,以滿足整個負載電阻值范圍內的順從輸出電壓要求。例如,在驅動20 mA時,一個負載為750 Ω的4 mA至20 mA環路就要求順從電壓不低于15 V。但在將20 mA驅動至50 Ω負載時,則只需要1 V的順從電壓。如果在驅動50 Ω負載時,15 V的順從電壓保持不變,則會浪費20 mA × 14 V = 280 mW的功率。

AD5755-1電路通過檢測輸出電壓,調節順從電壓,不論負載電阻有多大,只允許少量的裕量電壓,由此大幅降低這種功率損失。AD5755-1最多可以將24 mA驅動至1 kΩ的負載。

DC-DC轉換器工作原理

AD5755-1內置4個獨立的DC-DC轉換器,用于為各個通道的VBOOST_x電源電壓提供動態控制。圖3所示為AD5755-1與各通道相關的外部分立式組件。

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圖3.DC-DC電路

建議在CDCDC之后放置一個10 ?、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會消耗少量電能,但會減少VBOOST_x電源上的紋波。

DC-DC轉換器采用一種恒頻、峰值電流模式控制方案,以將4.5 V至5.5 V的AVCC輸入升壓,從而驅動AD5755-1輸出通道。這些轉換器設計用于工作在斷續導通模式(DCM),占空比小于90%(典型值)。

當通道被設置采用電流輸出范圍時,轉換器將VBOOST_x電源的值調節到7.4 V (±5%)或(IOUT_x × RLOAD + headroom),以較高者為準。在電流輸出模式下,若輸出被禁用,轉換器將把VBOOST_x電源調節至7.4 V (±5%)。在電壓輸出模式下,若輸出被禁用,轉換器將把VBOOST_x電源調節至15 V (±5%)。有關DC-DC轉換器工作情況的詳情,請參見AD5755-1數據手冊。

數字壓擺率控制

AD5755-1的壓擺率控制特性允許用戶控制輸出值的變化速率。這個特性適用于電流和電壓輸出,支持實現兩種重要功能:當輸出從低值擺動至高值時,它可以減低來自AVCC的瞬變電流,它還可以降低對HART通信的干擾。

通過禁用壓擺率控制特性,輸出值以受輸出驅動電路和所連負載限制的速率變化。通過壓擺率控制寄存器的SREN位使能壓擺率特性后,輸出以壓擺率控制寄存器可以訪問的SR_CLOCK和SR_STEP兩個參數所定義的速率,在兩個電平值之間擺動。

在以下等式中,壓擺率為步長、更新時鐘頻率和LSB大小的函數:

image.png

Slew   Time =

壓擺時間 =

Output   Change

輸出變化

Step   Size × Update   Clock Frequency × LSB Size

步長 × 更新時鐘頻率 × LSB大小

 其中:

壓擺時間用秒表示。

輸出變化表示為A(針對IOUT_x)或V(針對VOUT_x)。

更多信息請參考AD5755-1數據手冊。

瞬態電壓保護

AD5755-1內置ESD保護二極管,可防止器件在一般工作條件下受損。但是,工業控制環境可能會使輸入/輸出(I/O)電路遭受高得多的電壓瞬變。為了防止AD5755-1受到過高的電壓瞬變,需要把一個24 V瞬變電壓抑制器(TVS)置于IOUT_x/VOUT_x連接上,如圖4所示。

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圖4.輸出瞬態電壓保護

為提供進一步保護,IOUT_x和VOUT_x引腳與VBOOST_x和AVSS電源引腳之間連接有鉗位二極管。另外還使用一個5 kΩ限流電阻,它與+VSENSE_x輸入端串聯,用以將瞬變事件期間的電流限制在合理范圍內。AD5700 HART調制解調器建議采用包含150 kΩ電阻的外部帶通濾波器,這樣可以將電流限制在足夠低的水平,如此便無需采用額外的保護電路,即使在最嚴苛的工業環境下也是如此。

輸入電源保護

通過一個2線或3線接口,把一個穩壓工業標準電源(例如12 V或24 V直流電源)連接到EVAL-CN0418-ARDZ電路板。該電源必須采取故障和電磁干擾(EMI)保護措施,如圖5所示。

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圖5.輸入電源瞬變電壓保護

VR1、VR2、VR3和VR4是金屬氧化物壓敏電阻浪涌抑制器,F1是1 A可復位保險絲。該電路確保參考設計系統能夠承受電源端口可能產生的干擾和瞬變。參考《模擬對話》43-04,2009年4月發布的PLC評估板簡化工業過程控制系統的設計,了解更多信息。

電源電路

EVAL-CN0418-ARDZ板由12 V至36 V直流供電,利用板載開關穩壓器向平臺板提供7.5 V電源,如圖6和圖7所示。在測試設置中,EVAL-ADICUP3029板的供電電源為7.5V。然后,EVAL-ADICUP3029板為IO_VREF引腳(參考圖7)提供3.3 V調節電壓,為其余電路提供5 V電壓。

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。ADP2441將輸入電壓降至7.5 V(1 A)用于平臺板,并利用Arduino兼容平臺通常帶有的5 V穩壓器為EVAL-CN0418-ARDZ其余部分提供5 V 電源。電路在24V電源端還提供了濾波和保護功能。

ADP2441的開關頻率很高,因此,即使只用小型電感,輸出電壓的紋波也非常小。電感的大小需權衡效率和瞬態響應決定。小型電感會引起較大的電感電流紋波,能提供更出色的瞬態響應,但會降低系統效率。由于ADP2441的開關頻率非常高,因此建議使用低磁芯損耗、低EMI的屏蔽鐵氧體磁芯電感。

在圖6所示電路中,外部電阻為162 kΩ時的開關頻率約為550 kHz。根據ADP2441數據手冊選擇33 μH的電感值。該電路通過螺絲端子連接到12 V至36 V的現場電源。EARTH端子可以連接到外部大地連接,如若未使用外部大地連接,則可連接到GND端子。功率電感、壓敏電阻、功率二極管和1.1 A保險絲為高壓瞬變事件提供額外的輸入保護。

隔離電源由LT8301非光學隔離反激式轉換器產生。具有4抽頭二次繞組的變壓器提供隔離,并產生+16 V、?16 V和+5 V電源。通過對原邊反激式波形采樣來調節輸出電壓,無需采用光學隔離器、輔助檢測繞組或其他隔離反饋方法。

LT8301被用于調節多重輸出電路中負載最大的輸出。AD5755-1給出了+16 V電源、?16 V電源和+5 V供電軌的一系列加載條件。表1顯示在各種負載條件下,滿足AD5755-1要求的電源電壓。

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圖6.電源電路(簡化原理圖:未顯示所有連接)

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圖7.EVAL-CN0418-ARDZ電路板的電源樹和配置

表1.變壓器隔離式供電軌電壓

設置

+16 V電源(V)

-16 V電源(V)

+5 V   Supply (V)

+5 V電源(V)

電源電路無負載,AD5755-1輸出被禁用

16.15

-16.15

4.8750

在電流輸出模式下的AD5755-1




4個通道為20   mA1   kΩ負載)

18.55

-20.93

4.8936

4個通道為24   mA1   kΩ負載)

19.64

-22.11

4.8622

在電壓輸出模式下的AD5755-14個通道為10 V500 Ω負載)

17.11

-17.11

4.9476


AD5755-1具有較寬的電源電壓范圍,但將電路集成到客戶系統之前,必須先對其實施全面評估。驗證LT8301在所有正常負載、故障條件下,以及在預期的輸入電源電壓范圍內,在AD5755-1數據手冊列出的允許范圍內,保持隔離電源調節。

HART耦合

AD5755-1有四個CHARTx引腳,分別對應于四個輸出通道。HART信號可以耦合至這些引腳,并出現在對應的電流輸出端(如果該輸出已使能)。表2給出了CHARTx引腳上的HART信號的推薦輸入電壓。如果使用這些電壓,電流輸出應符合HART幅度要求。圖8所示為將HART信號衰減和耦合至AD5755-1 HART輸入的推薦電路。

2.CHARTx輸入電壓和HART輸出電流

RSET

CHARTx輸入電壓(mV峰峰值)

HART電流輸出(mV峰峰值)

內部RSET

150

1

外部RSET

170

1

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圖8.耦合HART信號

為了確保1.2 kHz和2.2 kHz HART頻率不會在輸出端大幅衰減,C1 + C2必須達到某一最小值。推薦值為:C1 = 22 nF,C2 = 47 nF。為了達到HART的模擬變化速率要求,必須以數字方式控制輸出的壓擺率。

數字隔離

ADuM3151ADuM3482為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)。隔離器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。此設計中的ADuM3151隔離來自AD5755-1的SPI信號和和管控ADG759四通道多路復用器地址行的GPIO信號,ADUM3482則隔離AD5700-1 HART調制解調器的UART信號。拼接電容是通過重疊內部平面在印刷電路板(PCB)內部實現的,以減少EMI輻射和板噪聲。有關EMI緩解技術的更多信息,請參考AN-0971應用筆記“isoPower器件的輻射控制建議”。

INL和DNL性能

使用變壓器隔離開關電源,測試AD5755-1的積分非線性(INL),如圖9所示。AD5755-1數據手冊將電流輸出和電壓輸出在整個溫度范圍內的INL都規定為±0.006% FSR,無論采用的是內部RSET還是外部RSET。圖9和圖10顯示,實測結果完全在該規定范圍之內。

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圖9.測量的電壓輸出INL/DNL,通道A

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圖10.測量的電流輸出INL/DNL,通道A

絕對精度性能

在電流輸出模式下,使用內部RSET時,AD5755-1的總非調整誤差(TUE)為±0.11% FSR(最大值,25°C)。ADR02參考(B級)的總誤差為0.06%(最大值,25°C)。

表3所示為通道A電路在4 mA至20 mA范圍內的實測電流輸出誤差,其中,負載為500 ?,使用的是內部RSET。表3總結通道A的結果(使用內部RSET),但它可代表所有4個通道。全部結果均位于預期值范圍內。

表3.實測IOUT_A誤差(4 mA至20 mA范圍)

數字碼

IOUT   (mA)

誤差(% FSR)

0x0000

4.0002

+0.0013

0x4000

7.9994

-0.0038

0x8000

11.9988

-0.0075

0xC000

15.9982

-0.0112

0xFFFF

19.9990

-0.0063

 

對電壓輸出模式進行了類似的測量,其中AD5755-1 TUE額定值為±0.03% FSR(最大值,25°C)。表4所示為通道A的結果。剩下的三個通道結果與其相似。

表4.實測VOUT_A誤差(±10 V范圍)

數字碼

VOUT   (V)

誤差(% FSR)

0x0000

-9.996915

-0.000226

0x4000

-8.776362

-0.000179

0x8000

-7.555827

-0.000467

0xC000

5.001719

0.000766

0xFFFF

10.001078

0.001526

 

HART兼容性

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圖11.在500 Ω負載下測得的FSK波形

圖11所示為在500 Ω負載電阻、IOUT_A上測得的1200 Hz和2200 Hz頻移鍵控(FSK)頻率。通道1顯示耦合至AD5755-1輸出中的調制HART信號(設置為4 mA),通道2顯示AD5700-1 TXD信號。

要與HART兼容,電路必須符合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,本電路筆記中考慮的兩項規格為靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。

靜默期間的輸出噪聲測試

當HART器件沒有進行傳輸(靜默)時,不應將HART擴展頻帶中噪聲耦合到網絡上。噪聲過高可能會干擾設備本身或網絡上其它設備對HART信號的接收。

對于在500 Ω負載上測得的電壓噪聲,其包含的HART擴展頻帶中的寬帶噪聲和相關噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外,該頻帶外的噪聲不應超過138 mV rms。

此噪聲通過在500 Ω負載上連接HCF_TOOL-31濾波器(可從HART通信基金會獲得)并將濾波器輸出連接到真均方根測量儀來測量。用示波器來檢查輸出波形。

image.png

圖12.HCF_TOOL-31輸入端靜默波形下的輸出噪聲

模擬變化率

這一技術規范可確保當設備調節電流時,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。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500 Ω負載進行測量得到。符合這一要求可確保模擬信號的最大帶寬處于規定的直流至25 Hz頻帶中。

對于該測試,HCF_TOOL-31再次連接500 ?負載,就如靜默期間噪聲測試中一樣;同時將一個示波器連接至其輸出端。這次,不是將AD5755-1輸出設為一個固定的輸出電流,而是將AD5755-1編程為輸出周期波形,從4 mA切換至20 mA。為了達到要求的系統規格,通過AD5755-1的數字壓擺率控制功能對輸出電流變化幅度進行限制。關于此特性的詳細說明,請參閱AD5755-1數據手冊。在該測試中,SR_CLOCK和SR_STEP分別設為64 kHz和16 LSB,得到64 ms的壓擺時間。結果如圖13所示。通道1顯示AD5755-1 IOUT_A在4 mA至20 mA范圍內的信號階躍,這是在500 ?負載下檢測的,并且連接到帶通濾波器的輸入端。濾波器的輸出(增益系數為10)可在通道2上看到。峰值在前面提到的150 mV峰值限值之內。

image.png

13.模擬變化率波形IOUT_A

常見變化

對于只要求電流輸出的應用,AD5757可用于替代AD5755-1。如果需要的分辨率低于16位,則AD5737可使用12位的。

對于接近或以AD5755-1的最大電流運行的應用,請使用DC2906A演示手冊中顯示的電源解決方案(基于LT8302),它提供更高的輸出功率。

可用AD5700調制解調器取代AD5700-1,但需要一個外部晶振或者CMOS時鐘,因為AD5700并不具備AD5700-1提供的內部振蕩器選項。詳見AD5700數據手冊和AD5700-1數據手冊。

對于單通道應用,請參閱電路筆記CN0321“具有HART連接的完全隔離、單通道電壓、4 mA至20 mA輸出”

電路評估與測試

所提供的軟件面向EVAL-ADICUP3029平臺,但其設計也可輕松移植到其他微控制器平臺。移植到其他平臺時,請務必全面檢查硬件兼容性,包括電壓電平和功能。

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圖14.EVAL-CN0418-ARDZ板

需要的設備

操作需要使用以下設備:

    EVAL-CN0418-ARDZ參考設計板

    串行終端程序,如Tera Term或Putty

    EVAL-ADICUP3029開發板

    PC(Windows? 32位或64位)

    24 V電源,例如Agilent E3631A

    精密電壓和電流表,例如Agilent 3458A

    4個500 Ω精密負載電阻

    示波器(Tektronix TDS2024B或等效器件)

    USB A型轉micro USB B型

    CN0418軟件

開始使用

有關設置的更多信息和完整細節,請參閱CN0418用戶指南

軟件安裝

安裝軟件請遵循下列步驟:

1.將EVAL-CN0418-ARDZ連接到EVAL- ADICUP3029板上。

2.使用附帶的電纜,通過PC的USB端口連接EVAL-ADICUP3029板。

3.對端子板P1連接器施加24 V電壓,使EVAL-CN0418-ARDZ上電。

4.將固件上傳至EVAL-ADICUP3029

功能框圖

圖15所示為測試設置的功能框圖。

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圖15.測試設置功能框圖

1.遵循下方的基本設置步驟:

將EVAL-CN0418-ARDZ連接到EVAL- ADICUP3029,如圖16所示。


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圖16.EVAL-CN0418-ARDZ板連接至EVAL-ADICUP3029

2.如果尚未安裝跳線,請將盒中提供的跳線按照圖17所示的相同配置進行安裝。

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圖17.P9和P10的默認并聯跳線位置;雙列直插式(DIP)開關,處于“開”位置

3.對EVAL-CN0418-ARDZ的P17跳線施加24 V直流電壓。

4.將EVAL- ADICUP3029的micro USB電纜連接至PC。

5.使用命令行中斷程序(例如Putty、Telnet或Tera Term)打開串行終端窗口。

關于如何設置硬件和軟件,并與計算機連接,請參考CN0418用戶指南




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