原创电路笔记CN0064

 2009-8-22 13:19  1971 4 4 分类: 通信

基于 16 位数模转换器 AD5662 和数字隔离器 ADuM1401 及外部放大器的 4 mA 至 20 mA 完全隔离电压输出模块（CN0064）

电路类型： DAC 电路

优化目标：高分辨率，隔离

应用：工业与仪器仪表，仪器仪表，过程控制

电路功能及优点

该电路工业控制输出模块提供了一个完整的解决方案。此设计适用于需要 4 mA 至 20 mA 电流输出范围的过程控制可编程控制器（PLCs）和分布式控制系统（DCSes）模块及发送器。AD5662 是一个 16 位 5 V 供电，SOT-23 封装的数模转换器。ADuM1401 四通道数字隔离器在微控制器和数模转换器之间提供了全部的信号隔离。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1，16 位隔离 4 mA 至 20 mA 工业控制输出模块（简体示意图），ADuM1401 可用 ADuM1411 替换。

电路描述

工业控制模块的模拟输出电流的范围通常是 4 mA 至 20 mA 或 0 mA 至 20 mA。AD5662 提供了一个 0 V 至 5 V 的输出，电流经过 R1 和检测电阻 RS。此电流通过 AD822 运算放大器映射（10x）到 R2。此设计选择了 AD822 ，主要是由于其高性能和高工作电压。第一级电流镜需要工作在 0 V 输入，以确保 DAC 工作在零级输出时不存在死区电压。这就需要 AD822 至少提供 -1 V 的电压以给 AD822 的第一级电流镜输出留有足够的余量。在第二级用两个二极管串联在正电源上，以确保第二级高达 35 V 的输出电压不会流向 AD822 的正供电轨。场效应管（FET）的输出也串联了一个保护二极管。应注意，这个串联的二极管将增加电路的功耗，这可能会是一些应用中的问题。

ADR02 具有最大 9 ppm/℃的温漂。由于它 36 V 的高输入电压范围，也常应用于工业应用。

ADuM1401 是基于 ADI 公司 iCoupler? 技术的四通道数字隔离器。它用来在 AD5662 和系统的微控制器之间提供 2.5 KV rms 的电压隔离。三条数据线（SYNC，SCLK 和 DIN）用来连接 AD5662 的标准 SPI 接口。

图2，INL 24 mA 满量程输出范围的精度图

图2 显示当 AD5662 使用 ADR02 作为外部参考时经过 RL 的电流输出电路的输出误差图（积分非线性）。结果表明了 %FSR（full-scale range）作为输入编码的函数。ADR02 被该电路选择 ADR02 作为基准。

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

检验项目	描述	结果
EN & IEC 61000-4-2	Electrostatic discharge (ESD), ±4 kV VCD	Max. deviation 0.32% for CH3. Class B
EN & IEC 61000-4-2	Electrostatic discharge (ESD) ±8 kV HCD	Max. deviation 0.28% for CH3. Class B
EN & IEC 61000-4-3	Radiated immunity 80 MHz to 1 GHz 10 V/m, vertical antenna polarization	Max. deviation 0.09% for CH1, 0.30% for CH3. Class B
	Radiated immunity 80 MHz to 1 GHz 10 V/m, horizontal antenna polarization	Max. deviation –0.04% for CH1, 0.22% for CH3. Class B
	Radiated immunity 1.4 GHz to 2 GHz 3 V/m, vertical antenna polarization	Max. deviation 0.01% for CH1, -0.09% for CH3. Class B
	Radiated immunity 1.4 GHz to 2 GHz 3 V/m, horizontal antenna polarization	Max. deviation 0.01% for CH1, 0.09% for CH3. Class B
EN & IEC 61000-4-4	Electrically fast transient (EFT) ±2 kV power port	Max. deviation –0.12% for CH3. Class B
EN & IEC 61000-4-4	Electrically fast transient (EFT) ±1 kV signal port	Max. deviation –0.02% for CH3. Class A
EN & IEC 61000-4-5	Power line surge, ±0.5 kV	No board or part damage occurred, passed with Class B
EN & IEC 61000-4-6	Conducted immunity test on power cord, 10 V/m for 5 minutes	Max. deviation 0.09% for CH3. Class B
EN & IEC 61000-4-6	Conducted immunity test on I/O cable, 10 V/m for 5 minutes	Max. deviation –0.93% for CH3. Class B
EN & IEC 61000-4-8	Magnetic immunity horizontal antenna polarization	Max. deviation –0.01% for CH3. Class A
EN & IEC 61000-4-8	Magnetic immunity vertical antenna polarization	Max. deviation –0.02% for CH3. Class A