電路功能與優(yōu)勢
本電路提供一種完整的工業(yè)控制輸入模塊解決方案。該設(shè)計(jì)適合過程控制可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊，這些模塊必須對標(biāo)準(zhǔn)4 mA至20 mA電流輸入及單極性或雙極性輸入電壓范圍進(jìn)行數(shù)字化處理。儀表放大器AD8220用來對雙極性信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，向AD7793 ADC提供0 V至5 V輸入信號。ADuM5401提供微控制器與ADC之間所需的全部信號隔離和電源。本電路還含有標(biāo)準(zhǔn)外部保護(hù)功能，且經(jīng)過測試和驗(yàn)證，完全符合IEC 61000標(biāo)準(zhǔn)。
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圖1. 24位隔離式工業(yè)控制電壓輸入模塊（原理示意圖）
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電路描述
對于工業(yè)控制模塊，模擬輸入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或0 mA至20 mA。輸入端的電阻分壓器(R2-R3)用來衰減高壓輸入，使其符合AD8220的最大輸入范圍（采用+5 V單電源供電時(shí)為−0.1V至+2.5 V）。AD8220用來對輸入信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并提供增益，使其符合AD7793的輸入范圍。該電路專門針對單極性模擬輸入設(shè)計(jì)，其它電路板針對雙極性操作設(shè)計(jì)，需要雙極性電源（參見“iCoupler 數(shù)字隔離器保護(hù)工業(yè)、儀器儀表和計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的RS-232、RS-485和CAN總線”Wayne, Scott，模擬對話，2005年10月。） AD8220用來對輸入信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并提供增益，使其符合AD7793的輸入范圍。它還具有這些應(yīng)用需要的出色共模抑制比(CMRR)。跳線（為清晰起見，圖中顯示為開關(guān)）用來切換硬件中的電流和電壓范圍，以及設(shè)置AD8220的增益。例如，當(dāng)輸入設(shè)置為接收4 mA至20 mA電流時(shí)，開關(guān)配置為在輸入端提供250 Ω負(fù)載電阻(R1)，以提供5 V滿量程電壓。
與REF引腳相連的共模信號用來偏置AD8220的輸出。該基準(zhǔn)信號產(chǎn)生自與AD7793相同的基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)過分壓后，提供0.5 V偏置電壓。該偏置電壓利用AD8601進(jìn)行緩沖，并與AD8220的REF引腳相連。AD8220的REF輸入應(yīng)始終采用低阻抗、深度去耦源驅(qū)動(dòng)。
本電路選擇ADR441 為基準(zhǔn)電壓源。它具有0.04%的出色精度特性，溫度漂移最大值為3 ppm/°C。
ADuM5401是一款采用ADI公司iCoupler®技術(shù)并集成isoPower技術(shù)的四通道隔離器。它可用來在現(xiàn)場端與系統(tǒng)微控制器之間實(shí)現(xiàn)隔離，隔離額定值為2.5 kV（均方根值）。ADuM5401還集成了DC-DC轉(zhuǎn)換器，可在5 V或3.3 V時(shí)提供500 mW的穩(wěn)壓隔離電源。本設(shè)計(jì)利用ADuM5401提供的5 V電壓為輸入模塊上的所有模擬電路供電。使用四條線：三條用于發(fā)射(CS, SCLK, DIN)，一條用于接收(DOUT)，這些線與標(biāo)準(zhǔn)SPI接口相連。
圖2所示為采用±10 V輸入范圍連接一個(gè)2.5 V輸入信號時(shí)，該輸入模塊的噪聲圖。輸出端測得的噪聲以峰峰分辨率表示。19.2位峰峰無噪聲碼分辨率表示：相對于ADC的24位分辨率，ADC輸出端有4.8位“閃爍噪聲”。因此，ADC的無噪聲碼分辨率為19.2位。就對整體系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)而言，測得的4.8位噪聲相對于ADC的滿量程范圍貢獻(xiàn)了約0.0001%的誤差。AD7793的積分非線性誤差為0.0015%。
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圖2. 輸入模塊直方圖（更新速率為4.7 Hz，增益為1，輸入為2.5 V基準(zhǔn)電壓）
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本設(shè)計(jì)還含有外部保護(hù)功能（如標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)二極管和TVS器件等），且成功通過測試，符合下列表1所示的IEC 61000標(biāo)準(zhǔn)。