使用AD4111轉(zhuǎn)換器簡化過程控制應(yīng)用的模擬輸入模塊設(shè)計

簡介

在為可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統(tǒng)（DCS）模塊等過程控制應(yīng)用設(shè)計模擬輸入模塊時，所考慮的主要權(quán)衡通常是性能與成本。在這個應(yīng)用空間中存在一種傳統(tǒng)，即使用雙極性±15 V電源軌來提供用于衰減或增益輸入信號的有源前端組件。這會影響材料清單（BOM）的成本，并且通過創(chuàng)建隔離的雙極電源會增加設(shè)計的復(fù)雜性。為了節(jié)省成本，另一種方法是使用單個5 V電源進(jìn)行架構(gòu)。單個5 V電源軌大大降低了模擬前端隔離電源設(shè)計的復(fù)雜性。但是，它可能會引入其他痛點，并可能導(dǎo)致精度較低的測量解決方案。 AD4111具有電壓和電流測量所需的大量集成，并解決了5 V電源解決方案的局限性。

集成前端

AD4111是一款24位Σ-ΔADC，通過實現(xiàn)創(chuàng)新而簡單的信號鏈，縮短了開發(fā)時間和設(shè)計成本。利用ADI公司專有的 i Passive ?技術(shù)，它集成了模擬前端和ADC。這使得AD4111能夠接受±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入，同時在單個5 V或3.3 V電源下工作，無需外部元件。電壓輸入指定為±20 V的超量程，此時器件仍可提供有效轉(zhuǎn)換，并在電壓引腳上提供±50 V的絕對最大值。電流輸入指定為-0.5 mA至24 mA的范圍，可實現(xiàn)接近0 mA的精確電流測量，并提供精確的24 mA轉(zhuǎn)換。 AD4111的電壓輸入保證最小阻抗為1MΩ。這樣可以去除±15 V外部緩沖器，進(jìn)一步減少電路板空間和BOM成本。 5 V設(shè)計受限于每個電壓輸入具有高阻抗分壓器的要求，其使用更多的電路板空間。離散解決方案的設(shè)計成為精密電阻器成本和精度之間的折衷。為了解決這個問題，AD4111在每個輸入端采用了高阻抗，精密的分壓器，如圖3所示。

開路檢測

通常，單個5 V設(shè)計的限制是缺少開路檢測，通常使用高阻抗電阻實現(xiàn)15 V電源軌以拉開連接到超出范圍的電壓。 AD4111具有獨特的開路檢測功能，采用5 V或3.3 V電源，可以克服這一問題。這將開路檢測與超出范圍的故障分開，進(jìn)一步簡化了診斷。通過在AD4111內(nèi)部包含此功能，前端需要一個上拉電阻，因此也消除了對15 V電源的需求，如圖2所示。消除±15 V電源可降低隔離電路的復(fù)雜性，面積和發(fā)射。對于不需要開路檢測的應(yīng)用，可以使用替代通用AD4112。這部分具有AD4111的所有優(yōu)點，但沒有開路檢測。

系統(tǒng)級解決方案

AD4111集成了電壓基準(zhǔn)和內(nèi)部時鐘有助于減少電路板尺寸和BOM成本進(jìn)一步提高，同時允許使用外部元件，如果需要更高的精度和更低的溫度誤差轉(zhuǎn)換。圖2和圖3分別顯示了典型的高端和低端解決方案。圖2和圖3中突出顯示的信號鏈的比例可以完全被AD4111取代。 AD4111的總不可調(diào)整誤差（TUE）精度規(guī)范旨在達(dá)到系統(tǒng)級要求。對于許多解決方案，精度可能足以消除對任何額外校準(zhǔn)的需要。在現(xiàn)有的高精度解決方案中，通常每個通道校準(zhǔn)模塊。 AD4111采用高度匹配的輸入設(shè)計，因此校準(zhǔn)一個輸入可在所有輸入上提供類似的精度。

EMC測試

PLC和DCS模塊通常在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運行，并且必須承受電磁干擾（EMI）條件。在設(shè)計具有電磁兼容性（EMC）功能的輸入模塊時，這會增加更高的復(fù)雜性，因為大多數(shù)設(shè)備不適用于EMC，因此設(shè)計輸入保護(hù)和濾波電路變得復(fù)雜。這可以在設(shè)計和測試方面為開發(fā)增加大量時間。 EMC實驗室租金昂貴，測試失敗可能意味著長時間延遲，直到電路板可以重新設(shè)計和重新測試。 AD4111采用印刷電路板（PCB）設(shè)計，具有成熟的EMC解決方案。該電路板的特點是確保電路性能不會受到輻射射頻（RF）或傳導(dǎo)RF干擾的永久影響，并且已被證明具有足夠的抗靜電放電（ESD），電快速瞬變（EFT）和浪涌的能力。符合IEC 61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)。它還針對CISPR 11進(jìn)行了評估，其中電路板的輻射發(fā)射遠(yuǎn)低于A類限值。有關(guān)AD4111 EMC PCB的更多信息，請參見AN-1572。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了所使用的測試程序的所有必要信息，以及為AD4111設(shè)計EMC驗證輸入模塊的電路板設(shè)計原理圖和布局。

結(jié)論

AD4111是具有高集成度的系統(tǒng)級ADC，包括全面的可配置性。它具有±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入的能力，采用5 V或3.3 V單電源供電，具有開路檢測功能及其許多其他功能，為模擬輸入模塊設(shè)計提供了獨特的解決方案。它采用6 mm×6 mm，40引腳LFCSP封裝，使曾經(jīng)需要完整復(fù)雜PCB的模塊現(xiàn)在可以由單個器件替代。