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圖1所示電路將AD5755-1 （四通道電壓和電流輸出DAC，帶動態(tài)功率控制）和 AD5700-1 HART調(diào)制解調(diào)器結(jié)合了起來，結(jié)果打造出一種完全隔離式多路復(fù)用HART?1模擬輸出解決方案。電源既可由板載變壓器隔離電路提供（±13 V和+5.2 V輸出，依負(fù)載電流而定），也可由連接到端子板的外部電源提供。該電路適合可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）模塊，這些模塊要求多個(gè)HART兼容型4 mA至20 mA電流輸出及單極性或雙極性電壓輸出。同時(shí)還包括外部瞬變保護(hù)電路，這對惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用極其重要。
AD5755-1 DAC可通過軟件配置，允許用戶輕松編程輸出范圍及用于動態(tài)電源控制所需要的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)置。通過該DAC可以訪問所有內(nèi)部控制寄存器，包括壓擺率控制寄存器，該寄存器對采用HART通信協(xié)議的應(yīng)用至關(guān)重要。
AD5700-1是業(yè)內(nèi)功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器。它充當(dāng)一款HART頻移鍵控（FSK）半雙工調(diào)制解調(diào)器，集成所有必要的信號檢測、調(diào)制、解調(diào)和信號發(fā)生功能。內(nèi)置一個(gè)精度為0.5%的內(nèi)部振蕩器，從而降低了電路板空間要求和成本。AD5700-1采用標(biāo)準(zhǔn)的UART接口。
數(shù)字隔離以基于ADI公司iCoupler?技術(shù)的四通道和雙通道ADuM3481/ADuM3210 數(shù)字隔離器元件實(shí)現(xiàn)。iCoupler技術(shù)的使用降低了基于光隔離器的解決方案通中額外外部元件的需求。外部變壓器用于將功率傳輸?shù)礁綦x柵的另一端。
ADG759 在四個(gè)模擬輸出通道上提供了多路復(fù)用功能，由此可實(shí)現(xiàn)HART通信。它根據(jù)2位二進(jìn)制地址線A0和A1所確定的地址，將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出。禁用時(shí)，所有通道均關(guān)斷。提供旁路鏈路，以便能靈活地繞開多路復(fù)用器。
1、 HART是HART通信基金會的注冊商標(biāo)。
圖1.CN0328頂層框圖
圖2.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：未顯示所有連接和去耦）
電路描述
對于工業(yè)控制模塊，標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出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和0 mA至+20 mA。電壓輸出范圍還提供20%的超范圍特性。AD5755-1支持所有這些范圍，是一種高精度、全集成、低成本的單芯片解決方案。每個(gè)DAC通道都有一個(gè)增益（M）寄存器和一個(gè)失調(diào)（C）寄存器，用于消除整個(gè)信號鏈的增益和失調(diào)誤差。
電流輸出和電壓輸出通過獨(dú)立引腳提供，任何時(shí)候僅一個(gè)輸出處于有效狀態(tài)，因而允許將兩個(gè)輸出引腳連在一起并接到單個(gè)引腳上。當(dāng)使能電流輸出時(shí)，電壓輸出處于三態(tài)模式；當(dāng)使能電壓輸出時(shí)，電流輸出為三態(tài)模式。模擬輸出受短路和開路保護(hù)。
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3所示。輸出電流值在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性取決于RSET值的穩(wěn)定性。作為提高輸出電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性的一種方法，可將一個(gè)外部15 kΩ低漂移電阻連接到AD5755-1的RSET_X引腳，以取代內(nèi)部電阻。外部電阻通過DAC控制寄存器進(jìn)行選擇。高精度測量通過兩種選項(xiàng)進(jìn)行評估，詳見“電路評估與測試”部分。
圖3.電壓-電流轉(zhuǎn)換電路
精密基準(zhǔn)電壓源的選擇
AD5755-1有一個(gè)片內(nèi)10 ppm/°C（最大值）基準(zhǔn)電壓源。為了提高在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的性能，該設(shè)計(jì)采用一個(gè) ADR02 基準(zhǔn)電壓源，其最大漂移為3 ppm/°C（B級，SOIC封裝）。基準(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)到的輸出端。
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。其最大精度誤差為0.06%，最大溫度漂移為3 ppm/°C（B級，SOIC封裝）。該漂移在工業(yè)溫度范圍內(nèi)會貢獻(xiàn)大約0.02%誤差。其長期漂移為50 ppm（典型值），0.1 Hz至10 Hz噪聲指標(biāo)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)電源控制功能，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(gè)固定電壓源，以滿足整個(gè)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(shí)，一個(gè)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(shí)，則只需要1 V的順從電壓。如果在驅(qū)動50 Ω負(fù)載時(shí)，15 V的順從電壓保持不變，則會浪費(fèi)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，由此消除了這種功率損失。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(gè)獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于為各個(gè)通道的VBOOST_X電源電壓提供動態(tài)控制（參見圖3）。圖4所示為DC-DC電路所需要的分立元件
圖4. DC-DC電路
建議在 CDCDC 之后放置一個(gè)10 Ω、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會消耗少量電能，但會減少 VBOOST_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 AVCC 輸入升壓，從而驅(qū)動AD5755-1輸出通道。這些器件設(shè)計(jì)用于工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），占空比小于90%（典型值）。
啟用通道電流輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換器將 VBOOST_X 電源調(diào)節(jié)至7.4 V （±5%） 或 （IOUT_X × RLOAD +裕量）（取較大值）。在電流輸出模式下，若輸出被禁用，轉(zhuǎn)換器將把 VBOOST_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 VBOOST_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。
HART耦合
AD5755-1有四個(gè)CHART引腳，分別對應(yīng)于四個(gè)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1給出了CHART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5所示為將HART信號衰減和耦合至AD5755-1HART輸入的推薦電路。
表1. CHART輸入電壓和HART輸出電流RSETCHART 輸入電壓電流輸出（HART）
內(nèi)部 RSET150 mV p-p1 mA p-p
外部 RSET170 mV p-p1 mA p-p
圖5.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。
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。該特性在電流和電壓輸出通道上均可用。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(gè)參數(shù)所定義的速率，在兩個(gè)電平值之間擺動。
在以下等式中，壓擺率為步長、更新時(shí)鐘頻率和LSB大小的函數(shù)。
其中：Slew Time用秒表示。
Output Change 表示為A（針對 IOUT_X）或 V（針對VOUT_X）。
詳見AD5755-1數(shù)據(jù)手冊。
瞬態(tài)電壓保護(hù)
AD5755-1內(nèi)置ESD保護(hù)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(gè)24 V瞬變電壓抑制器（TVS）置于 IOUT/VOUT 連接上，如圖6所示。為提供進(jìn)一步保護(hù)，IOUT_X/VOUT_X 引腳與 VBOOST_x 和 AVSS 電源引腳之間連接有鉗位二極管。另外還使用一個(gè)5 kΩ限流電阻，它與+VSENSE_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)。這種情況下，輸入端具有更高的瞬態(tài)電壓保護(hù)功能，因此即使是在要求最苛刻的工業(yè)環(huán)境中，也無需額外的保護(hù)電路。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，以滿足內(nèi)在安全要求。
圖6.輸出瞬變電壓保護(hù)
輸入電源保護(hù)
通過一個(gè)2線或3線接口，把一個(gè)24 V DC穩(wěn)壓電流連接到電路板。該電源必須采取故障和電磁干擾（EMI）保護(hù)措施，如圖7所示。
圖7.輸入電源瞬變電壓保護(hù)
VR1、VR2、VR3和VR4為壓敏電阻，F(xiàn)1為正溫度系數(shù)電阻。該電路確保評估系統(tǒng)能夠承受電源端口可能產(chǎn)生的任何干擾。詳見PLC評估板簡化工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，《模擬對話》43-04，2009年4月。
24 V輸入電源驅(qū)動 ADP1621 PWM升壓控制器。該控制器驅(qū)動3抽頭變壓器，后者提供隔離功能并產(chǎn)生AVDD （+15 V）、AVSS （?15 V）和AVCC （+5 V）。通過PS2801-1光耦合器提供反饋。
ADP1621電源輸入電壓范圍為2.9 V至5.5 V，在使用小信號NPN調(diào)整管或單個(gè)電阻時(shí)，也可支持更高的輸入電壓。開關(guān)頻率由外部電阻設(shè)置，范圍為100 kHz至1.5 MHz。
各種負(fù)載條件下的AVDD、AVS S和AVCC供電軌電壓如表2所示。
表2.變壓器隔離式供電軌電壓設(shè)置AVDD （V）AVSS （V）AVCC （V）
電源電路無負(fù)載（移除LK2至LK5）+14.7-15.3+5.2
插入LK2至LK5；AD5755-1輸出禁用+12.5-12.6+5.2
插入LK2至LK5；AD5755-1為IOUT 模式；4個(gè)通道上的電流為4 mA（500 Ω負(fù)載）+12.7-12.8+5.2
插入LK2至LK5；AD5755-1為IOUT 模式；4個(gè)通道上的電流為24 mA（1 kΩ負(fù)載）+14-15.2+5.2
插入LK2至LK5；AD5755-1 為VOUT 模式；4個(gè)通道上的電壓為10 V（1.2 kΩ負(fù)載）+13-13+5.2
如果不使用隔離式開關(guān)電源電路，J5和J11端子板提供了一種替代方案。如果使用這些端子板，則要移除LK2至LK4。
數(shù)字隔離
ADuM3481 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。該設(shè)計(jì)中的ADuM3481用于為AD5755-1隔離SPI信號，而ADuM3482則用于為AD5700-1HART調(diào)制解調(diào)器隔離UART信號。雙通道ADuM3210用于隔離ADG759 四通道多路復(fù)用器的地址線。
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