用于I/O卡和PLC應用的4通道、靈活、可配置、電壓和電流輸出電路
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時(shí)間：2013-07-28
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電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是一種僅使用兩個(gè)模擬器件的多通道、靈活的模擬輸出解決方案，它滿(mǎn)足多通道I/O卡、可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)應用的大部分要求。具有軌到軌緩沖輸出的四通道、16位nanoDAC+ AD5686R 配合四個(gè)工業(yè)電流/電壓輸出驅動(dòng)器 AD5750-2 使用，可提供所有典型的電流和電壓范圍的輸出，其具有16位分辨率且無(wú)失碼、0.05%的線(xiàn)性度以及小于0.1%的輸出誤差。
AD5686R集成了一個(gè)具有高驅動(dòng)能力（最高±5 mA）、超低漂移（2 ppm/°C，典型值）的2.5 V基準電壓源，能夠同時(shí)為AD5686R和AD5750-2提供基準電壓，確保電路的低噪聲、高精度、低溫漂。
ADuM1301 和 ADuM5400 對電源和模擬信號鏈與主控制器之間的所有必要信號提供2500 V rms隔離。
對于需要4個(gè)以上通道的多通道I/O卡應用，多個(gè)AD5686R可以菊花鏈形式連接，且不需要額外的外部數字I/O電路。這樣使成本降到最低限度，特別是對于高通道數隔離應用。
該電路還具有一些針對工業(yè)應用的關(guān)鍵特性，如片內輸出故障檢測、通過(guò)CRC執行分組差錯檢驗(PEC)、靈活的上電選項和ESD保護（AD5686R為4 kV，人體模型，AD5750-2為3 kV，人體模型），非常適合構建魯棒工業(yè)控制系統。在大批量生產(chǎn)中，它無(wú)需外部精密電阻或校準程序就能保持一致的性能，因而是PLC或DCS模塊的理想選擇。
 圖1. 模擬輸出電路的原理示意圖（未顯示所有連接和保護電路） |
電路描述
AD5750/AD5750-1/AD5750-2是單通道、低成本、精密電壓/電流輸出驅動(dòng)器，設計用于滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制應用的需要。輸出電壓范圍可以針對PLC和DCS應用的標準輸出范圍進(jìn)行編程：0 V至5 V、0 V至10 V、?5 V至+5 V和?10 V至+10 V。針對標準范圍，還提供了20%的超范圍設置，由此便可得到下列選項：0 V至+6 V、0 V至+12 V、-6 V至+6 V和-12 V至+12 V。
電流輸出通過(guò)單獨的引腳提供，可以編程為以下范圍：+4 mA至+20 mA、0 mA至+20 mA、?20 mA至+20 mA、0 mA至+24 mA和?24 mA至+24 mA。單極性范圍具有2%的超范圍設置。
由于A(yíng)D5750/AD5750-1/AD5750-2的電流輸出既可以是源電流，也可以是吸電流，因此它能與廣泛的傳感器或執行器接口。如果需要，可以將電壓和電流輸出引腳連接在一起，以便將系統配置為單通道輸出。
一般而言，電流輸出電路需要至少一個(gè)精密電阻，用于電流檢測。電路的電流精度和溫度漂移特性部分取決于電阻和基準電壓。AD5750/AD5750-1/AD5750-2集成了高精度、低漂移電阻，如果需要還可以使用外部電阻。要提高輸出電流在全溫度范圍內的穩定性，方法之一是在A(yíng)D5750/AD5750-1/AD5750-2的REXT1和REXT2引腳連接一個(gè)外部低漂移電阻來(lái)替代內部電阻。外部電阻通過(guò)輸入移位寄存器進(jìn)行選擇。如果不使用外部電阻選項，REXT1和REXT2引腳應保持懸空。
AD5686R是一款四通道、16位、軌到軌電壓緩沖輸出nanoDAC+，片內集成一個(gè)典型值為2 ppm/°C（最大值為5 ppm/°C）的2.5 V基準電壓源。片內基準電壓源可驅動(dòng)所有四個(gè)AD5750-2的基準輸入，具有0.05 Ω的低輸出阻抗，源電流和吸電流最高可達5 mA。AD5686R內置一個(gè)上電復位電路，確保DAC輸出上電至0 V并保持該電平，直到執行一次有效的寫(xiě)操作為止。
AD5686R DAC與AD5750-2驅動(dòng)器之間的接口簡(jiǎn)單，無(wú)需外部基準電壓源或精密電阻。AD5686R的輸出電壓范圍是0 V到2.5 V，與AD5750-2的輸入范圍匹配。此外，AD5686R的基準輸出電壓為2.5 V，與AD5750-2的基準輸入要求完全匹配。
ADuM1301是一款三通道數字隔離器。ADuM5400是一款四通道數字隔離器，集成了一個(gè)隔離式DC/DC轉換器。它們均基于iCoupler?技術(shù)，用來(lái)在信號鏈與系統微控制器之間實(shí)現隔離，隔離額定值為2.5 kV rms。ADuM5400為副邊的5 V電路提供5 V隔離電源。
用于PLC和DCS應用的器件所需的ESD保護和過(guò)壓保護一般遠高于通常的推薦要求。AD5686R和AD5750-2的各引腳內置ESD保護二極管，可以防止4 kV (AD5686R)和3 kV (AD5750-2)電壓瞬變（人體模型）損害器件。但是，工業(yè)控制環(huán)境可能會(huì )使I/O電路遭受高得多的電壓瞬變。
使用外部54 V、600 W瞬變電壓抑制器(TVS)作為增強ESD保護的第一級。在A(yíng)D5750-2的VSENSE+和VSENSE?引腳上放置一個(gè)串聯(lián)1 kΩ、0.5 W電阻的肖特基功率二極管，在VOUT和IOUT引腳上放置50 mA、30 V自恢復保險絲。這些保護電路置于 EVAL-CN0229-SDPZ 電路板中，以提供50 V過(guò)壓保護和50 mA過(guò)流保護。圖1的原理示意圖未顯示可選的外部保護電路，但可以在CN0229設計支持包的詳細原理圖(EVAL-CN0229-SDPZ-PADSSchematic pdf文件) 中找到。
本電路必須構建在具有較大面積接地層的多層電路板(PCB)上。為實(shí)現最佳系統性能和低EMI，請采用適當的布局、接地和去耦技術(shù)（請參考 指南MT-031——實(shí)現數據轉換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團 以及 指南MT-101——去耦技術(shù)）。
測量
對于PLC、DCS和其它過(guò)程控制系統，積分非線(xiàn)性(INL)、微分非線(xiàn)性(DNL)和輸出誤差是最重要的性能指標。AD5750-2具有非常靈活并且可配置的輸出范圍，可以滿(mǎn)足應用需要。該電路的INL、DNL和輸出誤差測量結果分別如圖2、圖3和圖4所示。數據是在25°C時(shí)在電壓輸出模式下獲得的。AD5750-2范圍設置為0 V至5 V。所有其它范圍的測試結果如表1所列。
對于PLC、DCS和其它過(guò)程控制系統，積分非線(xiàn)性(INL)、微分非線(xiàn)性(DNL)和輸出誤差是最重要的性能指標。AD5750-2具有非常靈活并且可配置的輸出范圍，可以滿(mǎn)足應用需要。該電路的INL、DNL和輸出誤差測量結果分別如圖2、圖3和圖4所示。數據是在25°C時(shí)在電壓輸出模式下獲得的。AD5750-2范圍設置為0 V至5 V。所有其它范圍的測試結果如表1所列。
 圖2. 0 V至5 V輸出范圍的INL |
圖3. 0 V至5 V輸出范圍的DNL |
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圖4. 0 V至5 V輸出范圍的輸出誤差 |
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