適用于帶HART的PLC/DCS系統(tǒng)的完全隔離的4通道模擬輸出電路

適用于帶HART的PLC/DCS系統(tǒng)的完全隔離的4通道模擬輸出電路
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評估和設(shè)計支持
電路評估板
CN0418參考設(shè)計板(EVAL-CN0418-ARDZ)
超低功耗Arduino尺寸開發(fā)板(EVAL-ADICUP3029)
設(shè)計和集成文件
原理圖、布局文件、物料清單、軟件
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說明：ADI公司的Circuits from the Lab?參考設(shè)計由ADI公司的工程師設(shè)計構(gòu)建。每個電路的設(shè)計和構(gòu)建都嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實驗室環(huán)境中以室溫條件進行了測試和檢驗。然而，您需自行負(fù)責(zé)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(dǎo)致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負(fù)責(zé)。
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電路功能與優(yōu)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(tǒng)，適合工業(yè)級可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(tǒng)(DCS)和其他工業(yè)過程控制應(yīng)用，這些應(yīng)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(tài)過壓和過流事件保護功能，適合最惡劣的工業(yè)環(huán)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(yīng)用中常見的標(biāo)準(zhǔn)24 V電源。
該模塊兼容HART，提供了一個完整的現(xiàn)場通信解決方案，簡單易用、低成本、低功耗且極其可靠。
片內(nèi)動態(tài)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(shù)和高密度應(yīng)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(jié)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(zhǔn)和標(biāo)識數(shù)據(jù)。
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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(fù)用HART模擬輸出電路（簡化原理圖：未顯示所有連接和解耦）
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電路描述
工業(yè)控制模塊中常用幾種標(biāo)準(zhǔn)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(diào)寄存器，用于消除整個信號鏈的增益和失調(diào)誤差。
電流輸出和電壓輸出通過獨立引腳提供，給定時間內(nèi)僅一個輸出類型處于有效狀態(tài)，因而允許將兩個輸出引腳連在一起并接到單個端口上。當(dāng)使能電流輸出時，電壓輸出處于三態(tài)模式；當(dāng)使能電壓輸出時，電流輸出為三態(tài)模式。模擬輸出受短路和開路保護。
AD5755-1支持內(nèi)部或外部精密電流設(shè)置電阻用于電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。輸出電流值在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性取決于電流設(shè)置電阻R_SET值的穩(wěn)定性。作為提高輸出電流在整個溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)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R_{SET_x}引腳，以取代內(nèi)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。

圖2.電壓-電流轉(zhuǎn)換電路
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精密基準(zhǔn)電壓源的選擇
AD5755-1有一個片內(nèi)10 ppm/°C（最大值）基準(zhǔn)電壓源。為了提高在整個溫度范圍內(nèi)的性能，該設(shè)計采用一個ADR02基準(zhǔn)電壓源，其最大漂移為3 ppm/°C（B級，SOIC封裝）?；鶞?zhǔn)輸入端的電壓用于為DAC內(nèi)核提供經(jīng)緩沖的基準(zhǔn)電壓。因此，任何基準(zhǔn)電壓誤差都會反應(yīng)到輸出端。
ADR02是一款5 V精密基準(zhǔn)電壓源，允許高達(dá)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(yè)溫度范圍內(nèi)會貢獻(xiàn)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(tài)功率控制
AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器電路的動態(tài)功率控制功能，在電流輸出模式下可降低功耗。多數(shù)PLC電流輸出電路都采用一個固定電壓源，以滿足整個負(fù)載電阻值范圍內(nèi)的順從輸出電壓要求。例如，在驅(qū)動20 mA時，一個負(fù)載為750 Ω的4 mA至20 mA環(huán)路就要求順從電壓不低于15 V。但在將20 mA驅(qū)動至50 Ω負(fù)載時，則只需要1 V的順從電壓。如果在驅(qū)動50 Ω負(fù)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(diào)節(jié)順從電壓，不論負(fù)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(qū)動至1 kΩ的負(fù)載。
DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理
AD5755-1內(nèi)置4個獨立的DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于為各個通道的V_{BOOST_x}電源電壓提供動態(tài)控制。圖3所示為AD5755-1與各通道相關(guān)的外部分立式組件。
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圖3.DC-DC電路
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建議在C_DCDC之后放置一個10 ?6?8、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會消耗少量電能，但會減少V_{BOOST_x}電源上的紋波。
DC-DC轉(zhuǎn)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AV_CC輸入升壓，從而驅(qū)動AD5755-1輸出通道。這些轉(zhuǎn)換器設(shè)計用于工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，占空比小于90%（典型值）。
當(dāng)通道被設(shè)置采用電流輸出范圍時，轉(zhuǎn)換器將V_{BOOST_x}電源的值調(diào)節(jié)到7.4 V (±5%)或(I_{OUT_x}?× R_LOAD+ headroom)，以較高者為準(zhǔn)。在電流輸出模式下，若輸出被禁用，轉(zhuǎn)換器將把V_{BOOST_x}電源調(diào)節(jié)至7.4 V (±5%)。在電壓輸出模式下，若輸出被禁用，轉(zhuǎn)換器將把V_{BOOST_x}電源調(diào)節(jié)至15 V (±5%)。有關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器工作情況的詳情，請參見AD5755-1數(shù)據(jù)手冊。
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數(shù)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(xiàn)兩種重要功能：當(dāng)輸出從低值擺動至高值時，它可以減低來自AV_CC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(qū)動電路和所連負(fù)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(shù)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(shù)：
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其中：
壓擺時間用秒表示。
輸出變化表示為A（針對I_{OUT_x}）或V（針對V_{OUT_x}）。
更多信息請參考AD5755-1數(shù)據(jù)手冊。
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瞬態(tài)電壓保護
AD5755-1內(nèi)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(yè)控制環(huán)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I_{OUT_x}/V_{OUT_x}連接上，如圖4所示。

圖4.輸出瞬態(tài)電壓保護
為提供進一步保護，I_{OUT_x}和V_{OUT_x}引腳與V_{BOOST_x}和AV_SS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+V_{SENSE_x}輸入端串聯(lián)，用以將瞬變事件期間的電流限制在合理范圍內(nèi)。AD5700?HART調(diào)制解調(diào)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(yán)苛的工業(yè)環(huán)境下也是如此。
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輸入電源保護
通過一個2線或3線接口，把一個穩(wěn)壓工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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。

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，F(xiàn)1是1 A可復(fù)位保險絲。該電路確保參考設(shè)計系統(tǒng)能夠承受電源端口可能產(chǎn)生的干擾和瞬變。參考《模擬對話》43-04，2009年4月發(fā)布的PLC評估板簡化工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計，了解更多信息。
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電源電路
EVAL-CN0418-ARDZ板由12 V至36 V直流供電，利用板載開關(guān)穩(wěn)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(shè)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(diào)節(jié)電壓，為其余電路提供5 V電壓。
ADP2441是36 V降壓DC-DC穩(wěn)壓器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)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(guān)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(quán)衡效率和瞬態(tài)響應(yīng)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(tài)響應(yīng)，但會降低系統(tǒng)效率。由于ADP2441的開關(guān)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(guān)頻率約為550 kHz。根據(jù)ADP2441數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xué)隔離反激式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。具有4抽頭二次繞組的變壓器提供隔離，并產(chǎn)生+16 V、?16 V和+5 V電源。通過對原邊反激式波形采樣來調(diào)節(jié)輸出電壓，無需采用光學(xué)隔離器、輔助檢測繞組或其他隔離反饋方法。
LT8301被用于調(diào)節(jié)多重輸出電路中負(fù)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(fù)載條件下，滿足AD5755-1要求的電源電壓。

圖6.電源電路（簡化原理圖：未顯示所有連接）

圖7.EVAL-CN0418-ARDZ電路板的電源樹和配置
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表1.變壓器隔離式供電軌電壓
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AD5755-1具有較寬的電源電壓范圍，但將電路集成到客戶系統(tǒng)之前，必須先對其實施全面評估。驗證LT8301在所有正常負(fù)載、故障條件下，以及在預(yù)期的輸入電源電壓范圍內(nèi)，在AD5755-1數(shù)據(jù)手冊列出的允許范圍內(nèi)，保持隔離電源調(diào)節(jié)。
HART耦合
AD5755-1有四個CHARTx引腳，分別對應(yīng)于四個輸出通道。HART信號可以耦合至這些引腳，并出現(xiàn)在對應(yīng)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(yīng)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。
表2.CHARTx輸入電壓和HART輸出電流

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(dá)到某一最小值。推薦值為：C1 = 22 nF，C2 = 47 nF。為了達(dá)到HART的模擬變化速率要求，必須以數(shù)字方式控制輸出的壓擺率。
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數(shù)字隔離
ADuM3151和ADuM3482為3.75 kV四通道數(shù)字隔離器，采用小型20引腳SSOP封裝(7.2 mm × 7.8 mm)。隔離器內(nèi)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(shè)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(fù)用器地址行的GPIO信號，ADUM3482則隔離AD5700-1?HART調(diào)制解調(diào)器的UART信號。拼接電容是通過重疊內(nèi)部平面在印刷電路板(PCB)內(nèi)部實現(xiàn)的，以減少EMI輻射和板噪聲。有關(guān)EMI緩解技術(shù)的更多信息，請參考AN-0971應(yīng)用筆記“isoPower器件的輻射控制建議”。
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INL和DNL性能
使用變壓器隔離開關(guān)電源，測試AD5755-1的積分非線性(INL)，如圖9所示。AD5755-1數(shù)據(jù)手冊將電流輸出和電壓輸出在整個溫度范圍內(nèi)的INL都規(guī)定為±0.006% FSR，無論采用的是內(nèi)部R_SET還是外部R_SET。圖9和圖10顯示，實測結(jié)果完全在該規(guī)定范圍之內(nèi)。

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
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絕對精度性能
在電流輸出模式下，使用內(nèi)部R_SET時，AD5755-1的總非調(diào)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(nèi)的實測電流輸出誤差，其中，負(fù)載為500 ?6?8，使用的是內(nèi)部R_SET。表3總結(jié)通道A的結(jié)果（使用內(nèi)部R_SET），但它可代表所有4個通道。全部結(jié)果均位于預(yù)期值范圍內(nèi)。
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表3.實測I_{OUT_A}誤差（4 mA至20 mA范圍）

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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(jié)果。剩下的三個通道結(jié)果與其相似。
表4.實測V_{OUT_A}誤差（±10 V范圍）

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HART兼容性
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圖11.在500 Ω負(fù)載下測得的FSK波形
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圖11所示為在500 Ω負(fù)載電阻、I_{OUT_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(diào)制HART信號（設(shè)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(guī)范。HART規(guī)范文檔中包含了眾多物理層規(guī)范。為了評估硬件性能，本電路筆記中考慮的兩項規(guī)格為靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。
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靜默期間的輸出噪聲測試
當(dāng)HART器件沒有進行傳輸（靜默）時，不應(yīng)將HART擴展頻帶中噪聲耦合到網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過高可能會干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備對HART信號的接收。
對于在500 Ω負(fù)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(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外，該頻帶外的噪聲不應(yīng)超過138 mV rms。
此噪聲通過在500 Ω負(fù)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。
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圖12.HCF_TOOL-31輸入端靜默波形下的輸出噪聲
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模擬變化率
這一技術(shù)規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)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(chǎn)生高于15 mV峰值電壓的干擾，此數(shù)值在HART擴展頻帶下，通過對500 Ω負(fù)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(guī)定的直流至25 Hz頻帶中。
對于該測試，HCF_TOOL-31再次連接500 ?6?8負(fù)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(shè)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(dá)到要求的系統(tǒng)規(guī)格，通過AD5755-1的數(shù)字壓擺率控制功能對輸出電流變化幅度進行限制。關(guān)于此特性的詳細(xì)說明，請參閱AD5755-1數(shù)據(jù)手冊。在該測試中，SR_CLOCK和SR_STEP分別設(shè)為64 kHz和16 LSB，得到64 ms的壓擺時間。結(jié)果如圖13所示。通道1顯示AD5755-1?I_{OUT_A}在4 mA至20 mA范圍內(nèi)的信號階躍，這是在500 ?6?8負(fù)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(shù)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(nèi)。
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圖13.模擬變化率波形I_{OUT_A}
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常見變化
對于只要求電流輸出的應(yīng)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(yīng)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(diào)制解調(diào)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(nèi)部振蕩器選項。詳見AD5700數(shù)據(jù)手冊和AD5700-1數(shù)據(jù)手冊。
對于單通道應(yīng)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”。
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電路評估與測試
所提供的軟件面向EVAL-ADICUP3029平臺，但其設(shè)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(wù)必全面檢查硬件兼容性，包括電壓電平和功能。

圖14.EVAL-CN0418-ARDZ板
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需要的設(shè)備
操作需要使用以下設(shè)備：
●???EVAL-CN0418-ARDZ參考設(shè)計板
●???串行終端程序，如Tera Term或Putty
●???EVAL-ADICUP3029開發(fā)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(fù)載電阻
●???示波器（Tektronix TDS2024B或等效器件）
●???USB A型轉(zhuǎn)micro USB B型
●???CN0418軟件
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開始使用
有關(guān)設(shè)置的更多信息和完整細(xì)節(jié)，請參閱CN0418用戶指南。
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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。
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功能框圖
圖15所示為測試設(shè)置的功能框圖。
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圖15.測試設(shè)置功能框圖
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遵循下方的基本設(shè)置步驟：
1.???將EVAL-CN0418-ARDZ連接到EVAL- ADICUP3029，如圖16所示。

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

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