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    利用单芯片电压和电流输出DAC AD5422及数字隔离器ADuM1401构建16位全隔离输出模块(CN0065)   电路类型: DAC电路 优化目标: 高分辨率, 隔离 应用: 过程控制     电路功能与优势   本电路提供一种完整的工业控制输出模块解决方案。该设计适合过程控制可编程逻辑控制器 (PLC) 和分布式控制系统 (DCS) 模块，这些模块均要求具有标准 4 mA 至 20 mA 电流输出及单极性或双极性输出电压范围。 16 位 DAC  AD5422 可通过软件配置提供所有必要的输出，并具有许多集成诊断特性，适用于工业环境。 ADuM1401 提供微控制器与 DAC 之间所需的全部信号隔离。本电路还含有标准外部保护功能，且经过测试和验证，完全符合 IEC 61000 标准。   电路描述   对于工业控制模块，标准模拟输出电压和电流范围包括 ±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 。 AD5422 是一款精密、全集成式 16 位 DAC ，提供可编程电流源和可编程电压输出，针对工业过程控制应用的要求而设计。   图 1 所示电路的输出电流范围可通过编程设置，设置范围为 4 mA 至 20 mA 、 0 mA 至 20 mA 或超量程功能 0 mA 至 24 mA 。电压输出由一个独立引脚提供，经过配置可以提供 0 V 至 5 V 、 0 V 至 10 V 、 ±5 V 或 ±10 V 的输出范围。所有范围均提供 10% 的超量程特性。模拟输出提供短路和开路保护，可驱动 1 μF 容性负载和 1 H 感性负载。      图 1 ： 16 位工业控制输出模块，集成诊断、输出保护功能（原理示意图）   默认条件下， AD5422 的 DVCC 引脚采用 2.7 V 至 5.5 V 电源供电。或者，也可以使用 DVCC SELECT 引脚，将 4.5 V 内部电源与 DVCC 引脚相连，用作系统中其它器件的数字电源，或者用作上拉电阻的端电极。这种模式下， DVCC 引脚可提供的最大电流为 5 mA 。在此设计中， DVCC 输出用于为数字隔离器 ADuM1401 的隔离场端供电。   ADuM1401 是一款采用 ADI 公司 iCoupler®  技术的四通道数字隔离器。利用它可在 AD5422 与系统微控制器之间实现隔离，隔离额定值为 2.5 kV （均方根值）。所有四条线均用于将标准 SPI 接口与 AD5422 相连：三条发射线（ LATCH 、 SCLK 、 SDIN ）和一条接收线 (SDO) 。   AD5422 具有一个 10 ppm/°C 片内基准电压源。为了在整个温度范围内提供高性能，本设计采用 5 V 外部基准电压源 ADR445 ，其最大精度误差为 0.04% ，最大温度漂移为 3 ppm/°C 。在整个工业温度范围内，此漂移大约贡献 0.02% 的误差。   图 2 显示 AD5422 采用外部基准电压源 ADR435 时的输出误差曲线。所示数据为 0 V 至 10 V 标称输出范围内以 %FSR （满量程范围）表示的输出电压误差。        图 2 ： INL 精度曲线（ 0 V 至 10 V 输出范围）    本设计还含有外部保护功能（如标准保护二极管和 TVS 器件等），且成功通过测试，符合 IEC 61000 标准，如表 1 所示。关于外部保护技术的更多讨论内容，请参考 Colm Slattery 、 Derrick Hartmann 和 Li Ke 合作撰写的 “PLC 评估板简化工业过程控制系统设计 ” 一文（《模拟对话》， 43-04 ， 2009 年 4 月）。   表 1.  符合 IEC 标准    测试项目 描述 结果 EN  IEC 61000-4-2 静电放电 (ESD) ， ±4 kV VCD 最大偏差： 0.32% （ CH3. Class B ） 静电放电 (ESD) ， ±8 kV HCD 最大偏差： 0.28% （ CH3. Class B ） EN  IEC 61000-4-3 辐射抗扰度（ 80 MHz 至 1 GHz 、 10 V/m ），垂直天线极化 最大偏差： 0.09% （ CH1 ）， 0.30% （ CH3. Class B ） 辐射抗扰度（ 80 MHz 至 1 GHz 、 10 V/m ），水平天线极化 最大偏差： –0.04% （ CH1 ）， 0.22% （ CH3. Class B ） 辐射抗扰度（ 1.4 GHz 至 2 GHz 、 3 V/m ），垂直天线极化 最大偏差： 0.01% （ CH1 ）， -0.09% （ CH3. Class B ） 辐射抗扰度（ 1.4 GHz 至 2 GHz 、 3 V/m ），水平天线极化 最大偏差： 0.01% （ CH1 ）， 0.09% （ CH3. Class B ） EN  IEC 61000-4-4 电快速瞬变 (EFT) ±2 kV 电源端口 最大偏差： –0.12% （ CH3. Class B ） 电快速瞬变 (EFT) ±1 kV 信号端口 最大偏差： –0.02% （ CH3. Class A ） EN  IEC 61000-4-5 电源线突波， ±0.5 kV 未发生电路板或器件损坏情况，符合 Class B 要求 EN  IEC 61000-4-6 对电源线执行抗扰度测试， 10 V/m 、 5 分钟 最大偏差： 0.09% （ CH3. Class B ） 对 I/O 电缆执行抗扰度测试， 10 V/m 、 5 分钟 最大偏差： –0.93% （ CH3. Class B ） EN  IEC 61000-4-8 磁场抗扰度，水平天线极化 最大偏差： –0.01% （ CH3. Class A ） 磁场抗扰度，垂直天线极化 最大偏差： –0.02% （ CH3. Class A ） 本文摘自 ADI 网站“实验室电路”。  登陆 www.adum.com.cn 了解更多。

  利用磁隔离技术隔离 RS232   作者：应用工程师 Mark Cantrell   当仪表、工业设备与医疗设备应用需要标准、低速数据与控制接口时， RS232 仍是一种理想的选择方案。在安全与接地回路要求隔离的应用中， RS232 因为具有低速与单向信号特性而幸运地成为成为首选。   虽然 RS232 数据信号隔离可能非常简单，但在面临挑战是电源的隔离。采用具有集成隔离电源技术的最新 ADuM5241 磁隔离器，可以实现紧凑而简单的设计，如下图所示。利用单芯片 ADuM5241 ，可以满足数据与功率隔离的所有需求。   这个应用中采用的收发器是 ADM101E 。 ADM101E 工作电源电压是 5V ，内部包括一个电荷泵，能产生 -5V 的电压。由于这个电荷泵并不能提高电压，输出的 ±5V 仅提供很小的静态与动态负载电流，即使是较大电阻或较大电容的负载时，也允许设计产生高数据流速率。在 300 kbps 传输速率下，能驱动 50 英尺线缆，它在 ADuM5241 的输出功率分配范围（ 10mA ）内。   虽然 ADuM5241 不是高效转换器，但在有些情况下允许 ADuM5241 支持低功耗应用。在满负载情况下， 5V 电压时的输入电流将近 120mA （ 600mW ），比设计人员希望在 I/O 端口消耗的要高。幸运的是， ADuM5241 具有待机特性，如果 RS232 端口闲置，可以使功耗降低为 13mW 。当 V DD 低于 4V 时，即实现待机 , 关断 ADuM5241 的 DC/DC 转换器，这样数据通道功耗仅为 13mW 。在待机模式工作时，变压器次级不消耗能量。       本文摘自 ADI 网站《数字隔离快讯》  登陆 www.adum.com.cn 了解更多。

  磁隔离技术透视——磁隔离原理 作者： Baoxing Chen ，设计工程师   磁隔离技术核心是穿越隔离阻障发射与接收信号的平面变压器。这些变压器完全由标准半导体制造工艺进行集成，变压器由被聚酰亚胺层分开的两个线圈组成，聚酰亚胺层起到隔离阻障的作用。每个线圈的直径大约是 500µm, 匝数 15 。顶部线圈粗 4µm ，采用金材料制成；底部线圈粗 1 ～ 2µm ，采用铝材料制成。   在开发数字隔离器时，确实需要考虑这些平面、芯片级的变压器的某些独特特性；还可以利用这些特性生产出创新的数字隔离器。   首先，磁隔离芯片的变压器是空心变压器 — 没有磁芯。为了实现紧密互耦，我们将两个 15 匝、直径 500µm 的线圈直接堆叠，空隙仅为 20µm 。这使得耦合系数大于 0.8 。     其次，磁隔离芯片的变压器具有非常高的带宽。顶部与底部线圈的自激频率分别是 1 GHz 与 400 MHz ，线圈之间的电容小于 0.3 pF 。高带宽与小电容意味着磁隔离芯片能够提供极高速的数字隔离。 第三，磁隔离芯片的变压器线圈具有低电感、高阻抗，每个线圈的电感大约是 110 nH ，顶部金线圈阻抗是 25Ω ，底部铝线圈阻抗是 50Ω 。这样的 L/R 比值使得低频信号无法直接通过 — 如果输入信号的脉宽大于 L/R 比或是只有几纳秒，变压器很容易电流饱和。   为了摆脱这些线圈的低频限制，我们采用创新的编码电路通过变压器传输仅 1 ～ 2 ns 宽的脉冲，而不管输入信号的频率。解码电路由这些 1 ～ 2 ns 宽的脉冲重新恢复出输出信号。这种编码 / 解码方法允许磁隔离产品传输直流和高频信号。   最后，由于采用金材料制作底部线圈与顶部线圈，并通过增加线圈绕线的直径降低阻抗，我们可以优化变压器，使得能跨越隔离阻障传输能量。这样做不会影响信号隔离度。 ADuM524x 采用集成隔离电源技术，在一个封装内集成隔离的数据通道与电源。   利用磁隔离芯片的平面变压器的独特特征以及一些创新的电路设计，磁隔离产品可以在不影响性能的前提下，在一个封装内集成许多不同的特性与功能。 本文摘自 ADI 网站《数字隔离快讯》  登陆 www.adum.com.cn 了解更多。

  磁隔离技术透视——如何实现 5KV 隔离   Baoxing Chen ，设计工程师   在本期的介绍中，我们将解释如何进行封装设计和材料选择，来保证隔离特性。在 磁隔离 产品中，我们关心封装及引脚排列，如何选择模压成型材料，以此达到高达 5kV 电压的增强隔离等级 。   对于封装而言，安全性标准对最小间距有一定的要求。爬电距离定义为隔离阻障两侧的导体之间最短距离，而电气间隙定义为导体之间的空间最短距离。 磁隔离 产品所采用的封装都已获得 CSA ， VDE ， TUV 和 UL 认证，其爬电距离和电气间隙至少为 4mm 或 8mm 。这些间距足够用于满足常见隔离应用的安全要求。   在封装中，为保证高达 5KV 的隔离等级，我们需要确保隔离阻障两侧的导体之间封装成型材料的间距是足够大的。     右图所示一个可能击穿路径的实例。 磁隔离 产品在一个封装内使用了多个管芯，用于对通过变压器隔离阻障传输的信号进行编码和解码，该路径位于连接到不同管芯的两个焊盘之间，每个焊盘可能处于不同的电压电位，可能相差几千伏。该路径的击穿特性取决于两个焊盘之间的成型材料的距离。     该距离必须足够长，以实现 磁隔离 产品 2.5kV/min 或 5KV/min 的隔离等级。在大批量生产时， 磁隔离 产品的隔离阻障是在 3kV rms 或 6kV rms 隔离等级下测试的。我们选用的封装成型材料具有至少 20Vpeak/µm 的击穿强度。对于 2.5kV rms 隔离等级，该间距至少为 210µm ，对于 5kV rms 隔离等级，该间距至少为 420µm 。 磁隔离 封装的设计满足了该间距要求 。   与 磁隔离 产品有关的常见问题经常涉及 “ 绝缘材料穿透距离 ” 要求。但是实际上，目前对于外壳完全由绝缘材料填充的半导体器件，最常用的安全标准并未提及绝缘材料穿透距离要求。某些安全性标准需要进行额外的测试，包括温度循环和提升电压，用于确保内部绝缘材料的完整性。请参阅 IEC 60950-1 （第二版） 或  IEC 61010-1 （第二版）   总之，当 磁 隔离器使用工业级标准封装时，对封装，引脚分布和成型材料进行了优化，以确保 磁隔离 产品支持高达 5kV rms 的隔离等级并且符合多种安全标准。 本文摘自ADI网站《数字隔离快讯》  登陆 www.adum.com.cn 了解更多。

  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。     资料参考   原文出处： http://www.analog.com/zh/verifiedcircuits/CN0067/vc.html   图 1  放大图： http://www.analog.com/static/imported-files/images/verified_circuits/CN0067_00_1024.gif   图 2  放大图： http://www.analog.com/static/imported-files/images/verified_circuits/CN0067_01_1024.gif   《简化工业过程控制系统设计的  PLC  评估板》文章： http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/43-04/process_control.html PDF ： http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/43-04/process_control.pdf   AD7793  资料 http://www.analog.com/zh/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad7793/products/product.html PDF ： http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7792_7793.pdf   ADuM5401  资料 http://www.analog.com/zh/interface/digital-isolators/adum5401/products/product.html PDF ： http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADuM5401_5402_5403_5404.pdf   ADR441  资料 http://www.analog.com/zh/references/voltage-references/adr441/products/product.html PDF ： http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADR440_441_443_444_445.pdf   AD8220  资料 http://www.analog.com/zh/amplifiers-and-comparators/instrumentation-amplifiers/ad8220/products/product.html PDF ： http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8220.pdf   AD8601  资料 http://www.analog.com/zh/amplifiers-and-comparators/operational-amplifiers-op-amps/ad8601/products/product.html PDF ： http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8601_8602_8604.pdf      声明   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。   译者：北京晶圆智通科技有限公司 时间： 2009 年 8 月  登陆 www.adum.com.cn 了解更多。