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瑞彩祥云

作者:時間:2019-09-26來源:電子産品世界收藏

评估和設計支持

本文引用地址:/article/201909/405276.htm

電路评估板

CN0418参考設計板(EVAL-CN0418-ARDZ)

超低功耗Arduino尺寸開發板(EVAL-ADICUP3029)

設計簣D成文件

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

说明:ADI公司的Circuits from the Lab?参考設計由ADI公司的工程师設計构建。每个電路的設計和构建都严格遵循标准工程规范,電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簣D煅椤H欢,您需自行负责测试電路,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電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。

電路功能与优势

圖1所示的電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電压和4 mA至20 mA電流輸出,且采用HART连接。

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電源输入電路包含板载滤波和保护功能,兼容12 V至36 V的直流電源電压,包括许多PLC和DCS应用中常见的标准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。

片内動態功率控制功能最大限度地降低封装在電流輸出模式下的功耗,对于使用多个電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个電路,在单个节点上提供最多16个通道,让4个输出的電源之间保持隔离。板载電子可擦除可编程只读存储器(EEPROM)可以存储校准和标识数据。

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圖1.集成变压器隔离電源解决方案的4通道多路复用HART模拟输出電路(简化原理圖:未显示所有连接和解耦)

電路描述

工业控制模块中常用几种标准電压和電流范围,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、低成本的單芯片解決方案中,以16位分辨率提供所有這些範圍。電壓輸出範圍還提供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並接到單個端口上。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,電流輸出爲三態模式。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压-電流转换電路,如圖2所示。輸出電流值在全温度范围内的稳定性取决于電流設置電阻RSET值的稳定性。作为提高輸出電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低漂移電阻连接到AD5755-1的RSET_x引脚,以取代內部電阻。外部電阻通过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“電路评估与测试”部分。

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圖2.電压-電流转换電路

精密基准電壓源的選擇

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

ADR02是一款5 V精密基准電压源,允许高达36 V的輸入電壓。ADR02的最大精度誤差为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%誤差。

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)。

動態功率控制

AD5755-1集成基于DC-DC升压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。多数PLC電流輸出電路都采用一个固定電压源,以满足整个负载電阻值范围内的顺从输出電压要求。例如,在驱动20 mA时,一个负载为750 Ω的4 mA至20 mA环路就要求顺从電压不低于15 V。但在将20 mA驱动至50 Ω负载时,则只需要1 V的顺从電压。如果在驱动50 Ω负载时,15 V的顺从電压保持不变,则会浪费20 mA × 14 V = 280 mW的功率。

AD5755-1電路通过检测输出電压,调节顺从電压,不论负载電阻有多大,只允许少量的裕量電压,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轉換器工作原理

AD5755-1內置4個獨立的DC-DC轉換器,用于爲各個通道的VBOOST_x電源電壓提供動態控制。圖3所示爲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之后放置一个10 ?、100 nF低通RC濾波器。虽然该器件会消耗少量電能,但会减少VBOOST_x電源上的紋波。

DC-DC轉換器采用一种恒频、峰值電流模式控制方案,以将4.5 V至5.5 V的AVCC輸入升壓,從而驅動AD5755-1输出通道。这些轉換器設計用于工作在断续导通模式(DCM),占空比小于90%(典型值)。

當通道被設置采用電流輸出範圍時,轉換器將VBOOST_x電源的值调节到7.4 V (±5%)或(IOUT_x × RLOAD + headroom),以较高者为准。在電流輸出模式下,若輸出被禁用,轉換器将把VBOOST_x電源调节至7.4 V (±5%)。在電压输出模式下,若輸出被禁用,轉換器将把VBOOST_x電源调节至15 V (±5%)。有关DC-DC轉換器工作情况的详情,请参见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通信的幹擾。

通过禁用压摆率控制特性,输出值以受输出驱动電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,在两个電平值之间摆动。

在以下等式中,壓擺率爲步長、更新時鍾頻率和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 × 更新時鍾頻率 × LSB大小

 其中:

壓擺時間用秒表示。

輸出變化表示为A(针对IOUT_x)或V(针对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)電路遭受高得多的電压瞬变。为了防止AD5755-1受到过高的電压瞬变,需要把一个24 V瞬变電压抑制器(TVS)置于IOUT_x/VOUT_x連接上,如圖4所示。

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圖4.输出瞬態電壓保護

爲提供進一步保護,IOUT_x和VOUT_x引腳與VBOOST_x和AVSS電源引脚之间连接有钳位二极管。另外还使用一个5 kΩ限流電阻,它与+VSENSE_x輸入端串聯,用以將瞬變事件期間的電流限制在合理範圍內。AD5700 HART调制解调器建议采用包含150 kΩ電阻的外部带通濾波器,这样可以将電流限制在足够低的水平,如此便无需采用额外的保护電路,即使在最严苛的工业环境下也是如此。

輸入電源保護

通过一个2线或3线接口,把一个稳压工业标准電源(例如12 V或24 V直流電源)连接到EVAL-CN0418-ARDZ電路板。该電源必须采取故障和電磁干扰(EMI)保护措施,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是金属氧化物压敏電阻浪涌抑制器,F1是1 A可复位保险丝。该電路确保参考設計系统能够承受電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,利用板载开关稳压器向平台板提供7.5 V電源,如圖6和圖7所示。在测试設置中,EVAL-ADICUP3029板的供電電源爲7.5V。然後,EVAL-ADICUP3029板为IO_VREF引脚(参考圖7)提供3.3 V调节電压,为其余電路提供5 V電压。

ADP2441是36 V降压DC-DC稳压器,采用工业标准24 V電源,具有宽輸入電壓容差。ADP2441将輸入電壓降至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 電源。電路在24V電源端还提供了滤波和保护功能。

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的電感值。该電路通过螺丝端子连接到12 V至36 V的现场電源。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。功率電感、压敏電阻、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。

隔离電源由LT8301非光学隔离反激式轉換器产生。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電源。通过对原边反激式波形采样来调节输出電压,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電路中负载最大的输出。AD5755-1给出了+16 V電源、?16 V電源和+5 V供電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要求的電源電壓。

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圖6.電源電路(简化原理圖:未显示所有连接)

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圖7.EVAL-CN0418-ARDZ電路板的電源树和配置

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)

電源電路无负载,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個通道爲20   mA1   kΩ負載)

18.55

-20.93

4.8936

4個通道爲24   mA1   kΩ負載)

19.64

-22.11

4.8622

在電壓輸出模式下的AD5755-14個通道爲10 V500 Ω負載)

17.11

-17.11

4.9476


AD5755-1具有较宽的電源電压范围,但将電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,以及在预期的输入電源電压范围内,在AD5755-1数据手册列出的允许范围内,保持隔离電源调节。

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,並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所示爲將HART信號衰減和耦合至AD5755-1 HART输入的推荐電路。

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

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。

數字隔離

ADuM3151ADuM3482为3.75 kV四通道數字隔離器,采用小型20引脚SSOP封装(7.2 mm × 7.8 mm)。隔离器内核工作電压范围为3.0 V至5.5 V,而I/O電源范围为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ADG759四通道多路複用器地址行的GPIO信號,ADUM3482則隔離AD5700-1 HART调制解调器的UART信号。拼接電容是通过重叠內部平面在印刷電路板(PCB)內部实现的,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應用筆記“isoPower器件的輻射控制建議”。

INL和DNL性能

使用变压器隔离开关電源,测试AD5755-1的積分非線性(INL),如圖9所示。AD5755-1数据手册将電流輸出和電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範圍之內。

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圖9.測量的電壓輸出INL/DNL,通道A

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圖10.测量的電流輸出INL/DNL,通道A

絕對精度性能

在電流輸出模式下,使用內部RSET时,AD5755-1的总非调整誤差(TUE)为±0.11% FSR(最大值,25°C)。ADR02參考(B級)的總誤差爲0.06%(最大值,25°C)。

表3所示为通道A電路在4 mA至20 mA范围内的实测電流輸出誤差,其中,负载为500 ?,使用的是內部RSET。表3总结通道A的结果(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範圍內。

表3.實測IOUT_A誤差(4 mA至20 mA范围)

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.實測VOUT_A誤差(±10 V范围)

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负载下测得的FSK波形

圖11所示为在500 Ω负载電阻、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(設置为4 mA),通道2显示AD5700-1 TXD信號。

要与HART兼容,電路必须符合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,本電路笔记中考虑的两项规格为静默期间的输出噪声和模擬變化率。

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。噪聲過高可能會幹擾設備本身或網絡上其它設備對HART信號的接收。

对于在500 Ω负载上测得的電压噪声,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濾波器(可从HART通信基金会获得)并将濾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。

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圖12.HCF_TOOL-31輸入端靜默波形下的輸出噪聲

模擬變化率

这一技术规范可确保当设备调节電流时,模拟電流的最大变化率不会干扰HART通信。電流的阶跃变化会扰乱HART信号。最差情况下的模拟輸出電流变化一定不能产生高于15 mV峰值電压的干扰,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 ?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輸出電流,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的數字壓擺率控制功能对輸出電流变化幅度进行限制。关于此特性的详细说明,请参阅AD5755-1數據手冊。在该测试中,SR_CLOCK和SR_STEP分别设为64 kHz和16 LSB,得到64 ms的壓擺時間。结果如圖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 ?负载下检测的,并且连接到带通濾波器的输入端。濾波器的输出(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。

image.png

13.模擬變化率波形IOUT_A

常見變化

对于只要求電流輸出的应用,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演示手册中显示的電源解决方案(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時鍾,因爲AD5700並不具備AD5700-1提供的內部振荡器选项。详见AD5700数据手册和AD5700-1數據手冊。

对于单通道应用,请参阅電路笔记CN0321“具有HART连接的完全隔离、单通道電压、4 mA至20 mA输出”

電路评估与测试

所提供的軟件面向EVAL-ADICUP3029平台,但其設計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,包括電压電平和功能。

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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参考設計板

    串行终端程序,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

    精密電压和電流表,例如Agilent 3458A

    4个500 Ω精密负载電阻

    示波器(Tektronix TDS2024B或等效器件)

    USB A型转micro USB B型

    CN0418軟件

開始使用

有关設置的更多信息和完整细节,请参阅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.对端子板P1連接器施加24 V電压,使EVAL-CN0418-ARDZ上電。

4.將固件上傳至EVAL-ADICUP3029

功能框圖

圖15所示为测试設置的功能框圖。

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圖15.测试設置功能框圖

1.遵循下方的基本設置步骤:

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


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圖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圖17所示的相同配置进行安装。

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圖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直流電压。

4.將EVAL- ADICUP3029的micro USB電缆连接至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。

关于如何設置硬件和软件,并与计算机连接,请参考CN0418用戶指南




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