適合PLC/DCS應用的通道間隔離溫度輸入（熱電偶/RTD）
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圖1所示電路提供一個(gè)雙通道、通道間隔離的熱電偶或RTD輸入，適用于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)。 該高集成度設計采用低功耗、24位、Σ-Δ型模數轉換器(ADC)，帶有豐富的模擬和數字特性，無(wú)需額外的信號調理IC。
電路描述
24位Σ-Δ型ADC集成可編程增益陣列(PGA)和基準電壓源，為靈活地連接熱電偶或RTD傳感器提供完整的特性組合。
其特性包括片內基準電壓源、可編程增益陣列、激勵電流、偏置電壓發(fā)生器以及提供增強50 Hz和60 Hz抑制選項的靈活濾波。 AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封裝，因而非常適合空間為重要考慮因素的通道間隔離設計。 它還包括多個(gè)可供用戶(hù)使用的診斷功能。
ADuM5010隔離式DC/DC轉換器通過(guò)集成的isoPower®技術(shù)提供3.3 V隔離電源。ADuM1441用于隔離AD7124-4的串行外設接口(SPI)。AD7124-4微功耗隔離器空閑時(shí)每通道的功耗僅4.8 μA，能效非常高。ADP2441是36 V降壓DC-DC穩壓器，采用工業(yè)標準24 V電源，具有寬輸入電壓容差。ADP2441用于將輸入電壓降至3.3 V，從而為所有控制器側電路供電。
系統概述
通道間隔離在自動(dòng)化系統中極具優(yōu)勢，因為特定輸入通道的故障不會(huì )影響系統中的其它通道。 然而，通道間隔離輸入模塊給設計提出了重大挑戰，具體表現在復雜度、空間限制和系統成本這些方面。
熱電偶或RTD輸入是工業(yè)自動(dòng)化系統的常用輸入，因此，設計一個(gè)能夠處理兩者的溫度輸入模塊很有用。 這種靈活性最大程度地減少了兩種輸入模塊的設計工作，而且為模塊用戶(hù)提供了靈活性。
AD7124-4顯著(zhù)降低了設計復雜度，提供一個(gè)片上系統，能夠執行熱電偶和RTD傳感器所需的全部測量功能。
圖1所示電路的每個(gè)通道大小僅有27 mm x 50 mm，若在印刷電路板(PCB)兩面貼放器件，則上述面積可進(jìn)一步縮小。 之所以能實(shí)現如此小的尺寸，是因為AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封裝，并且集成了幾乎所有必需的功能，除了隔離以及附加前端濾波和保護之外。 用于數據和電源隔離的隔離電路僅占用87 mm2，最小合并寬度為12.5 mm。
端子連接
圖2顯示了兩個(gè)輸入通道各自的端子連接。 這些引腳對應于硬件中的P1和P2（見(jiàn)圖1）。 熱電偶以及2/3/4線(xiàn)RTD連接如圖所示。
圖2. 前端濾波和電路（簡(jiǎn)化圖）
輸入濾波
如圖3所示，輸入共模噪聲濾波由R1、C1和R2、C2實(shí)現，截止頻率約為50 kHz。 差分噪聲濾波由R1、R2和C3實(shí)現，截止頻率約為2.5 kHz。 務(wù)必以Σ-Δ調制器頻率（全功率模式下為307 kHz）濾除任何干擾，這點(diǎn)特別重要。 建議調整這些濾波器的截止頻率以滿(mǎn)足系統帶寬要求，共模濾波器的截止頻率約為差分濾波器截止頻率的10倍。
圖3. 前端濾波和電路（簡(jiǎn)化圖）
輸入保護
為保護輸入不受過(guò)壓狀況影響，AD7124-4的每個(gè)輸入路徑上都放置了3 k?電阻。 此電阻值將30 V DC過(guò)壓產(chǎn)生的電流限制在10 mA以下。
考慮30 V電壓連接在A(yíng)IN+和AIN−之間的情況。 從AIN+朝里看，30 V電壓看到R1 (3 k?)，之后是內部ESD保護二極管，再后面是從AIN3朝外看到的3 k?電阻與從AIN4朝外看到的3 k?電阻并聯(lián)。 忽略?xún)炔縀SD保護二極管，AIN+與AIN−之間的總電阻為3 k? + 3 k?||3 k? = 4.5 k?。 因此，流經(jīng)AD7124-4的電流限值為30 V ÷ 4.5 k? = 6.7 mA。
RTD輸入
圖1所示電路可連接到2線(xiàn)、3線(xiàn)或4線(xiàn)RTD。 最大可測量3.92 kΩ電阻，因此它適用于Pt100和Pt1000 RTD。 使用電流激勵，電阻測量為RTD與3.92 kΩ精密基準電阻(RREF)之間的比率式測量結果。 如圖3所示，RTD測量在A(yíng)IN1和AIN3之間進(jìn)行，REFIN1+和REFIN1−用作測量的基準輸入。 激勵電流設置如下：
2線(xiàn)模式： 僅AIN0上的激勵有效，設置為250 μA。
3線(xiàn)模式： AIN0和AIN4上的激勵電流均有效，各設置為100 μA。
4線(xiàn)模式： 僅AIN0上的激勵有效，設置為250 μA。
使用高端電流檢測技術(shù)。 對于較低的RTD引線(xiàn)電阻值，此技術(shù)可降低3線(xiàn)模式下電流失配的影響。 有關(guān)3線(xiàn)RTD配置的更多信息，參見(jiàn)電路筆記CN-0383。
基準電阻(RREF)選擇為3.92 kΩ，最高支持850°C的Pt1000 RTD測量（850°C時(shí)RTD電阻為3.9048 kΩ）。 RREF的值必須根據RTD的最大預期電阻來(lái)選擇。 RREF電阻的精度直接影響測量精度，因此，必須使用精密、低漂移電阻。
4線(xiàn)模式下，激勵電流必須設置為250 µA，3線(xiàn)模式下設置為100 µA。 對于4線(xiàn)模式，假設RTD值為3.92 k?。 來(lái)自AIN0的激勵電流流經(jīng)RREF + RRTD + RRETURN = 3.92 k? + 3.92 k? + 3 k? = 10.84 k?。 因此，AIN0處的電壓等于250 µA × 10.84 k? = 2.71 V。AD7124-4指定激勵電流輸出端的輸出順從電壓為AVDD − 0.35 V，即3.3 V – 0.35 V = 2.95 V。 因為2.95 V > 2.71 V，所以即使對于最大RTD電阻，250 µA激勵電流也能正常工作。
有關(guān)4線(xiàn)RTD配置的更多信息，參見(jiàn)電路筆記CN-0381。
在3線(xiàn)模式下，來(lái)自AIN4的引腳補償激勵電流也會(huì )流經(jīng)3 kΩ返回電阻，在A(yíng)IN0處產(chǎn)生一個(gè)附加電壓：250 μA × 3 kΩ = 0.75 V。因此，AIN0處的總電壓等于2.71 V + 0.75 V = 3.46 V，這違反了裕量要求。 所以，在3線(xiàn)模式下，各激勵電流必須降至100 μA以提供足夠的裕量。
PGA增益可用來(lái)提高測量分辨率。 對于Pt100 RTD，建議使用8倍增益（因為Pt100值比Pt1000值小10倍）。
為實(shí)現所需精度，RTD本身必須由主機控制器通過(guò)軟件進(jìn)行線(xiàn)性化，參見(jiàn)電路筆記CN-0383。
熱電偶測量
如圖3所示，熱電偶連接在A(yíng)IN+和AIN−端子之間。 AIN4引腳為熱電偶提供3.3 V ÷ 2 = 1.65 V的偏置電壓。 熱電偶電壓在A(yíng)IN1和AIN3之間測量，因為熱電偶信號非常小，通常推薦使用32倍或64倍的PGA增益。
冷結補償使用10 k? NTC熱敏電阻。 基準電壓激勵VREF從REFOUT獲得，并且串聯(lián)一個(gè)精密低漂移5.62 k?電阻接地。 NTC電阻值可以通過(guò)下式計算：
其中：
VNTC為AIN1和AIN3之間測得的電壓。
VREF為AD7124-4 REFOUT提供的基準電壓。
端子板與NTC溫度傳感器之間的溫度差會(huì )直接影響熱電偶輸入的溫度讀數。 因此，NTC熱敏電阻必須盡可能靠近端子板放置，使熱耦合最大。
為實(shí)現所需精度，熱電偶和NTC必須由主機控制器通過(guò)軟件進(jìn)行線(xiàn)性化，參見(jiàn)電路筆記CN-0384。
診斷
提供多種系統級診斷功能，包括：
基準電壓檢測
輸入過(guò)壓/欠壓檢測
SPI通信的CRC
存儲器映射的CRC
SPI讀/寫(xiě)檢查
這些診斷功能對輸入通道中可能發(fā)生的故障實(shí)現了高水平覆蓋。
隔離
ADuM1441采用5 mm × 6.2 mm、16引腳小型QSOP封裝(30 mm2)。數據通道利用四通道微功耗隔離器ADuM1441隔離，能效很高。
ADuM5010是一款完整的隔離開(kāi)發(fā)轉換器，利用isoPower技術(shù)為電路提供電源隔離。 The ADuM5010 is in a small 7.4 mm × 7.5 mm, 20-lead SSOP package (56.25 mm2).ADuM5010采用7.4 mm × 7.5 mm、20引腳小型SSOP封裝(56.25 mm2)。
圖4所示為ADuM5010電路詳情。 電源副邊使用鐵氧體磁珠來(lái)抑制潛在的電磁干擾(EMI)輻射。 鐵氧體磁珠(Murata BLM18HK102SN1)專(zhuān)門(mén)針對100 MHz至1 GHz的高阻抗而選擇。 還使用了10 μF和0.1 μF去耦電容。 鐵氧體磁珠和電容均通過(guò)短走線(xiàn)連接到ADuM5010引腳，以使寄生電感和電阻最小。
圖4. 帶鐵氧體磁珠和去耦電容的isoPower電路
拼接電容已維持最小面積，因為鐵氧體磁珠已大幅降低輻射。ADuM5010電源、GND引腳和鐵氧體磁珠之間的PCB區域應消除任何接地層或走線(xiàn)，以盡量減少高頻噪聲容性耦合到接地層。有關(guān)控制isoPower器件輻射的更多信息，參見(jiàn)AN-0971應用筆記。
根據ADuM5010數據手冊選擇R1和R2反饋電阻以選用3.3 V輸出。
每通道功耗
ADuM5010由控制器側電源供電，典型功耗為3.3 mA。ADuM5010滿(mǎn)載時(shí)的效率僅為27%，因此，盡量減少現場(chǎng)側的電流消耗會(huì )對通道的能效產(chǎn)生重大影響。
AD7124-4功耗約為994 μA（全功率模式、增益 = 32、TC偏置、診斷和內部基準電壓源使能）。利用中功率或低功耗模式可以顯著(zhù)降低AD7124-4的功耗。
對于A(yíng)DuM1441，空閑時(shí)現場(chǎng)側總功耗約為7.2 μA，以2 Mbps工作時(shí)為552 μA。 如果接口在1/8的時(shí)間里有效，則ADuM1441的總功耗為(552 μA × 0.125) + (7.2 μA ×0.875) = 75.3 μA。
當以全功率模式工作、增益為32、內部基準電壓源和TC偏置使能時(shí)，一個(gè)輸入通道的實(shí)測功耗為7.9 mA（來(lái)自控制器側3.3 V電源）。
電源電路
評估板由4.5 V至36 V直流電源供電，利用板上開(kāi)關(guān)穩壓器向系統提供3.3 V電源，如圖5所示。EVAL- SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)板為數字接口提供經(jīng)調節的3.3 V電壓。
ADP2441包括可編程軟啟動(dòng)、調節輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率和電源良好指示等特性。這些特性通過(guò)外部小型電阻和電容編程。
ADP2441還包括多種保護特性，如帶遲滯的欠壓閉鎖(UVLO)、輸出短路保護和熱關(guān)斷等。
300 kHz開(kāi)關(guān)頻率可使ADP2441的效率最高。 由于A(yíng)DP2441的開(kāi)關(guān)頻率非常高，建議使用低磁芯損耗、低EMI的屏蔽鐵氧體磁芯電感。
在圖5所示電路中，開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)294 kΩ外部電阻設置為約300 kHz。 22 μH電感值(Coilcraft LPS6235-223MLC)是利用可下載的ADP2441降壓調節器設計工具選擇的。 此工具可根據所需的工作條件（4.5 V至36 V輸入、3.3 V輸出、1 A輸出電流）選擇最佳的元件值。 選擇1 A電流是為了給主機控制器側的其它電路供電（若需要）。
圖5. 電源電路（原理示意圖，未顯示所有連接）
測試結果
關(guān)于熱電偶、3線(xiàn)和4線(xiàn)RTD電路的詳細性能分析，參見(jiàn)電路筆記CN-0381、電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384，其中給出了深入分析和測量結果。
圖6給出了EVAL-CN0376-SDPZ的直方圖，采用25 SPS后置濾波器，AIN+短接AIN−，增益為32，TC偏置使能。 數據對應于17.85位無(wú)噪聲分辨率。
圖6. AIN+和AIN-輸入短接時(shí)的代碼直方圖（選擇25 SPS后置濾波器、增益 = 32、TC偏置使能）
常見(jiàn)變化
如果需要更多通道，可以使用AD7124-8。AD7124-8有8個(gè)差分輸入或16個(gè)單端輸入。AD7792也可作為低成本選項加以考慮，不過(guò)其特性較少，性能較低。
ADuM3151等SPIsolatorTM可作為數據隔離選項，其最高支持17 MHz SPI傳輸，并且內置三個(gè)通用低速隔離通道。
圖1所示電路使用NTC熱敏電阻進(jìn)行冷結補償。 另一個(gè)選項是使用ADT7320數字溫度傳感器，其精度為0.25°C。 （參見(jiàn)電路筆記CN-0172）。
電路評估與測試
圖1所示電路采用EVAL-CN0376-SDPZ評估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板。
EVAL-CN0376-SDPZ評估板具有PMOD兼容接頭，支持與外部控制板集成。
CN-0376評估軟件與SDP板通信，以便配置EVAL-CN0376-SDPZ評估板并從其中捕捉數據。
設備要求
需要以下設備：
帶USB端口的Windows® Vista（32位）或Windows 7（32位）PC
EVAL-CN0376-SDPZ電路評估板
EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板
CN-0376評估軟件
精密電壓和電阻源，或熱電偶、RTD仿真器
電源： 4.5 V至36 V dc（100 mA）
開(kāi)始使用
從ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0376/下載CN-0376評估軟件，然后安裝。 按照屏幕提示安裝并使用該軟件。 更多信息參見(jiàn)CN-0376軟件用戶(hù)指南。
測試設置功能框圖
圖7所示為測試設置的功能框圖。
圖7. 測試設置功能框圖
設置
EVAL-CN0376-SDPZ評估板通過(guò)120引腳對接連接器連接EVAL-SDP-CB1Z SDP板，兩個(gè)板上均有這種連接器。
CN-0376評估軟件和SDP板支持用PC分析數據。
對P3連接器施加一個(gè)4.5 V到36 V（標稱(chēng)值24 V）范圍內的電壓。 務(wù)必將P8跳線(xiàn)設為EXT（默認），以便通過(guò)P3電源為電路板供電。
外部控制器也可用來(lái)與評估板通信（通過(guò)PMOD接頭進(jìn)行SPI通信），以及為評估板供電。 若需要，可將P8跳線(xiàn)設為VCC_PMOD，以便通過(guò)PMOD連接器為評估板提供3.3 V電源。
精密電壓和電阻源可用作模擬前端的輸入，從而評估系統性能。 也可使用熱電偶或RTD仿真器。
圖8顯示了EVAL-CN0376-SDPZ電路評估板的實(shí)物照片。
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