原创 电路笔记CN0067

基于 24 位 Σ—Δ 模数转换器 AD7793 , 数字隔离器 ADuM5401 和一个高性能放大器的完全隔离输入模块（CN0067）

电路类型： ADC电路/驱动器

优化目标： 高分辨率，隔离

应用：     过程控制

电路功能及优点

该电路为工业控制输入模块提供了一个完整的解决方案。此设计适用于必须 4 mA 到 20 mA 电流输入和单极或双极输入电压范围的过程控制可编程控制器（PLCs）和分布式控制系统（DCSes）。仪表放大器 AD8220 采用对双极信号的电平偏移为 AD7793 ADC 提供 0 V 到 5 V 的输入信号。ADuM5401 在微控制器和输入之间提供全部的信号隔离和电源隔离。该电路经测试和验证，完全符合 IEC 61000 规格的外部保护标准。

图1，24 位隔离工业控制电压输入模块（简体示意图）

电路描述

工业控制模块的模拟输入电压和电流的范围包括 ±5 V，±10 V，0 V 至 5 V，0 V 至 10 V，4 mA 至 20 mA，或 0 mA 至 20 mA。在输入端有一个电阻分压器（R2 - R3），用来衰减高压输入使他们与 AD8220 的最大输入电压范围匹配。（当工作在 +5 V 单电源供电时，输入电压范围为 -0.1 V 至 +2.5 V）。AD8220 对输入信号进行电平偏移并提供增益，使其与 AD7793 的输入范围匹配。AD8220 还具有这类应用中所需要的良好的共模抑制比（CMRR）。跳线（在这里显示为开关）用来在硬件上切换电流、电压范围和设置 AD8220 的增益。例如，当输入设置为接收 4 mA 至 20 mA 电流，此开关在输入提供一个 250 Ω 的负载电阻（R1）配置，提供了满量程的 5 V 电压。

AD8220 输出一个偏置的共模信号连接到 REF 引脚。这个信号同时作为 AD7793 的参考信号，可以为连接在 AD8220 的 REF 引脚上的 AD8601 提供 0.5 V 的偏置电压缓冲。AD8220 的 REF 引脚输入应保持较低的源阻抗。

该电路选择 ADR441 作为基准。ADR441 具有 0.04% 的优秀精度规格和最大 3 ppm/℃的温漂。

ADuM5401 是基于 ADI 公司 iCoupler? 技术的四通道数字隔离器，集成 isoPower 技术。它用来在外侧和系统的微控制器之间提供 2.5 KV rms 的电压隔离。ADuM5401 还集成有 DC-DC 转换器，能够提供 5 V 或 3.3 V 的 500 mW 的稳压隔离电源。此设计用 ADuM5401 为所有模拟电路的输入部分提供 5 V 电源供应。四条数据线全部连接到标准的 SPI 总线使用：三条输出（CS，SCLK，DIN），一条用于接收（DOUT）。

图2，输入模块柱状图，更新速率 4.7 Hz ，增益 Gain = 1 ，输入参考电压 2.5 V 。

图2 显示了一个在 ±10 V 的输入范围内连接一个 2.5 V 的输入信号时输入模块的噪声图表。输出的噪声可通过峰-峰值分辨率测量。对于 24 位分辨率的ADC ，19.2 位的峰-峰值分辨率数值意味着 ADC 的输出有 4.8 位的“闪烁噪声”。因此，ADC 的“无噪声”编码分辨率是 19.2 位。从对整个系统误差的作用来说，对于满量程的 ADC ，4.8 位的测量噪声能改善 ~0.0001% 的误差。AD7793 的积分非线性误差是 0.0015% 。

此设计还包括外部的保护（如标准保护二极管和 TVS 器件），并且已经测试通过了表1 所展示的 IEC 61000 标准。看Colm Slattery，Derrick Hartmann 和 Li Ke 于2009年4月在“模拟对话”，43-04，所发表的“简化工业过程控制系统设计的 PLC 评估板”一文，进行更多外部保护技术的讨论。

表1，符合 IEC 规格

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本文根据 ADI 官方资料翻译而来，不对翻译中存在的差异及由此产生的错误负责。请注意译文中可能存在文字组织或翻译错误，如需确认任何词语的准确性，请参考原始英文版本资料。