如何在與微控制器完全隔離的情況下控制16位輸出模塊

Thomas Brand

無論是在建筑物中還是在生產(chǎn)車間，如今到處都需要可編程控制器來調(diào)節(jié)各種過程、機(jī)器和系統(tǒng)。這涉及設(shè)備所連接的可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統(tǒng)（DCS）模塊。為了控制這些設(shè)備，PLC 和 DCS 模塊通常具有具有電流輸出、電壓輸出或兩者組合的輸出模塊。工業(yè)控制模塊涵蓋 ±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 的標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出電壓和電流范圍。特別是在工業(yè)領(lǐng)域，通常需要微控制器和輸出外設(shè)的電氣隔離。

經(jīng)典解決方案提供分立設(shè)計(jì)，將來自微控制器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，或提供不同的模擬輸出，并實(shí)現(xiàn)電流隔離。然而，與集成解決方案相比，分立式設(shè)計(jì)表現(xiàn)出許多缺點(diǎn)。例如，大量元件會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性高、電路板尺寸大、成本高。短路能力甚至故障診斷等附加特性突出了這些缺點(diǎn)。

更好的解決方案是在單個(gè)芯片上集成盡可能多的功能，例如ADI公司的高精度5422位DAC AD16。除了數(shù)模轉(zhuǎn)換外，它還提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，從而滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的要求。

圖1所示為對輸出模塊的模擬輸出級進(jìn)行完全隔離控制的示例電路。它特別適用于需要 4 mA 至 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出和單極性或雙極性輸出電壓范圍的過程控制應(yīng)用中的 PLC 和 DCS 模塊。此處，AD5422與四通道數(shù)字隔離模塊ADuM1401結(jié)合使用。

AD5422 16位DAC的輸出可通過串行外設(shè)接口（SPI）進(jìn)行配置。該模塊還具有集成的診斷功能，可用于工業(yè)環(huán)境。微控制器和DAC之間所需的絕緣電阻由ADuM1401實(shí)現(xiàn)，ADuM5422的四個(gè)通道用于與AD<>的SPI連接：三個(gè)通道（鎖存器、SCLK和SDIN）發(fā)送數(shù)據(jù)，第四個(gè)通道（SDO）接收數(shù)據(jù)。

特別是在工業(yè)應(yīng)用中，必須提供耐高干擾電壓的魯棒輸出。IEC 61000等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了魯棒性要求，例如，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電磁兼容性（EMC）方面的要求。為了符合這些標(biāo)準(zhǔn)，必須在輸出端安裝額外的外部保護(hù)電路。保護(hù)電路的一種可能性如圖2所示。

圖1.使用AD5422和ADuM1401對模擬輸出級進(jìn)行隔離控制的簡化示例電路。

圖2.AD61000輸出符合IEC 5422標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)電路。

電流輸出（IOUT）可在4 mA至20 mA或0 mA至20 mA范圍內(nèi)選擇性編程。電壓輸出通過單獨(dú)的VOUT引腳提供，該引腳可配置為0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V的電壓范圍。所有電壓范圍的超量程為10%。兩個(gè)模擬輸出均具有短路和開路保護(hù)，可驅(qū)動高達(dá)1 μF的容性負(fù)載和高達(dá)50 mH的感性負(fù)載。

AD5422需要10.8 V至40 V范圍內(nèi)的模擬電源（AVDD）。對于數(shù)字電源電壓（DVCC），需要2.7 V至5.5 V?；蛘?，DVCC可以用作系統(tǒng)中其他元件的電源引腳或上拉電阻的端接。為此，DVCC_SELECT引腳應(yīng)浮動，內(nèi)部4.5 V LDO穩(wěn)壓器電壓應(yīng)施加到DVCC引腳。最大可用電源電流為5 mA。在所示電路中，DVCC用于為ADuM1401的電氣隔離側(cè)供電。

使用ADR16外部基準(zhǔn)電壓從4550位DAC獲得高精度轉(zhuǎn)換結(jié)果。這是一款高精度、低功耗、低噪聲基準(zhǔn)電壓源，最大初始精度為0.02%，具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。

此處所示的電路特別適用于提供電流和電壓輸出的PLC或DCS模塊的輸出模塊，并且必須符合IEC 61000等EMC標(biāo)準(zhǔn)。