適用于PLC/DCS系統(tǒng)的熱電偶或RTD輸入的電路功能與優(yōu)勢

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路提供一個雙通道、通道間隔離的熱電偶或RTD輸入，適用于可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）。 該高集成度設(shè)計(jì)采用低功耗、24位、Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），帶有豐富的模擬和數(shù)字特性，無需額外的信號調(diào)理IC。

圖1. PLC/DCS通道間隔離溫度輸入（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

24位Σ-Δ型ADC集成可編程增益陣列（PGA）和基準(zhǔn)電壓源，為靈活地連接熱電偶或RTD傳感器提供完整的特性組合。

其特性包括片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源、可編程增益陣列、激勵電流、偏置電壓發(fā)生器以及提供增強(qiáng)50 Hz和60 Hz抑制選項(xiàng)的靈活濾波。 AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封裝，因而非常適合空間為重要考慮因素的通道間隔離設(shè)計(jì)。 它還包括多個可供用戶使用的診斷功能。

ADuM5010隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器通過集成的isoPower?技術(shù)提供3.3 V隔離電源。ADuM1441用于隔離AD7124-4的串行外設(shè)接口（SPI）。AD7124-4微功耗隔離器空閑時每通道的功耗僅4.8 μA，能效非常高。ADP2441是36 V降壓DC-DC穩(wěn)壓器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24 V電源，具有寬輸入電壓容差。ADP2441用于將輸入電壓降至3.3 V，從而為所有控制器側(cè)電路供電。

系統(tǒng)概述

通道間隔離在自動化系統(tǒng)中極具優(yōu)勢，因?yàn)樘囟ㄝ斎胪ǖ赖墓收喜粫绊懴到y(tǒng)中的其它通道。 然而，通道間隔離輸入模塊給設(shè)計(jì)提出了重大挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在復(fù)雜度、空間限制和系統(tǒng)成本這些方面。

熱電偶或RTD輸入是工業(yè)自動化系統(tǒng)的常用輸入，因此，設(shè)計(jì)一個能夠處理兩者的溫度輸入模塊很有用。 這種靈活性最大程度地減少了兩種輸入模塊的設(shè)計(jì)工作，而且為模塊用戶提供了靈活性。

AD7124-4顯著降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提供一個片上系統(tǒng)，能夠執(zhí)行熱電偶和RTD傳感器所需的全部測量功能。

圖1所示電路的每個通道大小僅有27 mm x 50 mm，若在印刷電路板（PCB）兩面貼放器件，則上述面積可進(jìn)一步縮小。 之所以能實(shí)現(xiàn)如此小的尺寸，是因?yàn)锳D7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封裝，并且集成了幾乎所有必需的功能，除了隔離以及附加前端濾波和保護(hù)之外。 用于數(shù)據(jù)和電源隔離的隔離電路僅占用87 mm2，最小合并寬度為12.5 mm。

端子連接

圖2顯示了兩個輸入通道各自的端子連接。 這些引腳對應(yīng)于硬件中的P1和P2（見圖1）。 熱電偶以及2/3/4線RTD連接如圖所示。

圖2. 前端濾波和電路（簡化圖）

輸入濾波

如圖3所示，輸入共模噪聲濾波由R1、C1和R2、C2實(shí)現(xiàn)，截止頻率約為50 kHz。 差分噪聲濾波由R1、R2和C3實(shí)現(xiàn)，截止頻率約為2.5 kHz。 務(wù)必以Σ-Δ調(diào)制器頻率（全功率模式下為307 kHz）濾除任何干擾，這點(diǎn)特別重要。 建議調(diào)整這些濾波器的截止頻率以滿足系統(tǒng)帶寬要求，共模濾波器的截止頻率約為差分濾波器截止頻率的10倍。

圖3. 前端濾波和電路（簡化圖）

輸入保護(hù)

為保護(hù)輸入不受過壓狀況影響，AD7124-4的每個輸入路徑上都放置了3 k?電阻。 此電阻值將30 V DC過壓產(chǎn)生的電流限制在10 mA以下。

考慮30 V電壓連接在AIN+和AIN?之間的情況。 從AIN+朝里看，30 V電壓看到R1 （3 k?），之后是內(nèi)部ESD保護(hù)二極管，再后面是從AIN3朝外看到的3 k?電阻與從AIN4朝外看到的3 k?電阻并聯(lián)。 忽略內(nèi)部ESD保護(hù)二極管，AIN+與AIN?之間的總電阻為3 k? + 3 k?||3 k? = 4.5 k?。 因此，流經(jīng)AD7124-4的電流限值為30 V ÷ 4.5 k? = 6.7 mA。

RTD輸入

圖1所示電路可連接到2線、3線或4線RTD。 最大可測量3.92 kΩ電阻，因此它適用于Pt100和Pt1000 RTD。 使用電流激勵，電阻測量為RTD與3.92 kΩ精密基準(zhǔn)電阻（RREF）之間的比率式測量結(jié)果。 如圖3所示，RTD測量在AIN1和AIN3之間進(jìn)行，REFIN1+和REFIN1?用作測量的基準(zhǔn)輸入。 激勵電流設(shè)置如下：

2線模式： 僅AIN0上的激勵有效，設(shè)置為250 μA。

3線模式： AIN0和AIN4上的激勵電流均有效，各設(shè)置為100 μA。

4線模式： 僅AIN0上的激勵有效，設(shè)置為250 μA。

使用高端電流檢測技術(shù)。 對于較低的RTD引線電阻值，此技術(shù)可降低3線模式下電流失配的影響。 有關(guān)3線RTD配置的更多信息，參見電路筆記CN-0383。

基準(zhǔn)電阻（RREF）選擇為3.92 kΩ，最高支持850°C的Pt1000 RTD測量（850°C時RTD電阻為3.9048 kΩ）。 RREF的值必須根據(jù)RTD的最大預(yù)期電阻來選擇。 RREF電阻的精度直接影響測量精度，因此，必須使用精密、低漂移電阻。

4線模式下，激勵電流必須設(shè)置為250 μA，3線模式下設(shè)置為100 μA。 對于4線模式，假設(shè)RTD值為3.92 k?。 來自AIN0的激勵電流流經(jīng)RREF + RRTD + RRETURN = 3.92 k? + 3.92 k? + 3 k? = 10.84 k?。 因此，AIN0處的電壓等于250 μA × 10.84 k? = 2.71 V。AD7124-4指定激勵電流輸出端的輸出順從電壓為AVDD ? 0.35 V，即3.3 V – 0.35 V = 2.95 V。 因?yàn)?.95 V 》 2.71 V，所以即使對于最大RTD電阻，250 μA激勵電流也能正常工作。

有關(guān)4線RTD配置的更多信息，參見電路筆記CN-0381。

在3線模式下，來自AIN4的引腳補(bǔ)償激勵電流也會流經(jīng)3 kΩ返回電阻，在AIN0處產(chǎn)生一個附加電壓：250 μA × 3 kΩ = 0.75 V。因此，AIN0處的總電壓等于2.71 V + 0.75 V = 3.46 V，這違反了裕量要求。 所以，在3線模式下，各激勵電流必須降至100 μA以提供足夠的裕量。

PGA增益可用來提高測量分辨率。 對于Pt100 RTD，建議使用8倍增益（因?yàn)镻t100值比Pt1000值小10倍）。

為實(shí)現(xiàn)所需精度，RTD本身必須由主機(jī)控制器通過軟件進(jìn)行線性化，參見電路筆記CN-0383。

熱電偶測量

如圖3所示，熱電偶連接在AIN+和AIN?端子之間。 AIN4引腳為熱電偶提供3.3 V ÷ 2 = 1.65 V的偏置電壓。 熱電偶電壓在AIN1和AIN3之間測量，因?yàn)闊犭娕夹盘柗浅Ｐ?，通?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">推薦使用32倍或64倍的PGA增益。

冷結(jié)補(bǔ)償使用10 k? NTC熱敏電阻。 基準(zhǔn)電壓激勵VREF從REFOUT獲得，并且串聯(lián)一個精密低漂移5.62 k?電阻接地。 NTC電阻值可以通過下式計(jì)算：

其中：

VNTC為AIN1和AIN3之間測得的電壓。

VREF為AD7124-4 REFOUT提供的基準(zhǔn)電壓。

端子板與NTC溫度傳感器之間的溫度差會直接影響熱電偶輸入的溫度讀數(shù)。 因此，NTC熱敏電阻必須盡可能靠近端子板放置，使熱耦合最大。

為實(shí)現(xiàn)所需精度，熱電偶和NTC必須由主機(jī)控制器通過軟件進(jìn)行線性化，參見電路筆記CN-0384。

診斷

提供多種系統(tǒng)級診斷功能，包括：

基準(zhǔn)電壓檢測

輸入過壓/欠壓檢測

SPI通信的CRC

存儲器映射的CRC

SPI讀/寫檢查

這些診斷功能對輸入通道中可能發(fā)生的故障實(shí)現(xiàn)了高水平覆蓋。

隔離

ADuM1441采用5 mm × 6.2 mm、16引腳小型QSOP封裝（30 mm2）。數(shù)據(jù)通道利用四通道微功耗隔離器ADuM1441隔離，能效很高。

ADuM5010是一款完整的隔離開發(fā)轉(zhuǎn)換器，利用isoPower技術(shù)為電路提供電源隔離。 The ADuM5010 is in a small 7.4 mm × 7.5 mm， 20-lead SSOP package （56.25 mm2）.ADuM5010采用7.4 mm × 7.5 mm、20引腳小型SSOP封裝（56.25 mm2）。

圖4所示為ADuM5010電路詳情。 電源副邊使用鐵氧體磁珠來抑制潛在的電磁干擾（EMI）輻射。 鐵氧體磁珠（Murata BLM18HK102SN1）專門針對100 MHz至1 GHz的高阻抗而選擇。 還使用了10 μF和0.1 μF去耦電容。 鐵氧體磁珠和電容均通過短走線連接到ADuM5010引腳，以使寄生電感和電阻最小。

圖4. 帶鐵氧體磁珠和去耦電容的isoPower電路

拼接電容已維持最小面積，因?yàn)殍F氧體磁珠已大幅降低輻射。ADuM5010電源、GND引腳和鐵氧體磁珠之間的PCB區(qū)域應(yīng)消除任何接地層或走線，以盡量減少高頻噪聲容性耦合到接地層。有關(guān)控制isoPower器件輻射的更多信息，參見AN-0971應(yīng)用筆記。

根據(jù)ADuM5010數(shù)據(jù)手冊選擇R1和R2反饋電阻以選用3.3 V輸出。

每通道功耗

ADuM5010由控制器側(cè)電源供電，典型功耗為3.3 mA。ADuM5010滿載時的效率僅為27%，因此，盡量減少現(xiàn)場側(cè)的電流消耗會對通道的能效產(chǎn)生重大影響。

AD7124-4功耗約為994 μA（全功率模式、增益 = 32、TC偏置、診斷和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源使能）。利用中功率或低功耗模式可以顯著降低AD7124-4的功耗。

對于ADuM1441，空閑時現(xiàn)場側(cè)總功耗約為7.2 μA，以2 Mbps工作時為552 μA。 如果接口在1/8的時間里有效，則ADuM1441的總功耗為（552 μA × 0.125） + （7.2 μA ×0.875） = 75.3 μA。

當(dāng)以全功率模式工作、增益為32、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和TC偏置使能時，一個輸入通道的實(shí)測功耗為7.9 mA（來自控制器側(cè)3.3 V電源）。

電源電路

評估板由4.5 V至36 V直流電源供電，利用板上開關(guān)穩(wěn)壓器向系統(tǒng)提供3.3 V電源，如圖5所示。EVAL- SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP）板為數(shù)字接口提供經(jīng)調(diào)節(jié)的3.3 V電壓。

ADP2441包括可編程軟啟動、調(diào)節(jié)輸出電壓、開關(guān)頻率和電源良好指示等特性。這些特性通過外部小型電阻和電容編程。

ADP2441還包括多種保護(hù)特性，如帶遲滯的欠壓閉鎖（UVLO）、輸出短路保護(hù)和熱關(guān)斷等。

300 kHz開關(guān)頻率可使ADP2441的效率最高。 由于ADP2441的開關(guān)頻率非常高，建議使用低磁芯損耗、低EMI的屏蔽鐵氧體磁芯電感。

在圖5所示電路中，開關(guān)頻率通過294 kΩ外部電阻設(shè)置為約300 kHz。 22 μH電感值（Coilcraft LPS6235-223MLC）是利用可下載的ADP2441降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)工具選擇的。 此工具可根據(jù)所需的工作條件（4.5 V至36 V輸入、3.3 V輸出、1 A輸出電流）選擇最佳的元件值。 選擇1 A電流是為了給主機(jī)控制器側(cè)的其它電路供電（若需要）。

圖5. 電源電路（原理示意圖，未顯示所有連接）

測試結(jié)果

關(guān)于熱電偶、3線和4線RTD電路的詳細(xì)性能分析，參見電路筆記CN-0381、電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384，其中給出了深入分析和測量結(jié)果。

圖6給出了EVAL-CN0376-SDPZ的直方圖，采用25 SPS后置濾波器，AIN+短接AIN?，增益為32，TC偏置使能。 數(shù)據(jù)對應(yīng)于17.85位無噪聲分辨率。

圖6. AIN+和AIN-輸入短接時的代碼直方圖（選擇25 SPS后置濾波器、增益 = 32、TC偏置使能）

常見變化

如果需要更多通道，可以使用AD7124-8。AD7124-8有8個差分輸入或16個單端輸入。AD7792也可作為低成本選項(xiàng)加以考慮，不過其特性較少，性能較低。

ADuM3151等SPIsolatorTM可作為數(shù)據(jù)隔離選項(xiàng)，其最高支持17 MHz SPI傳輸，并且內(nèi)置三個通用低速隔離通道。

圖1所示電路使用NTC熱敏電阻進(jìn)行冷結(jié)補(bǔ)償。 另一個選項(xiàng)是使用ADT7320數(shù)字溫度傳感器，其精度為0.25°C。 （參見電路筆記CN-0172）。

電路評估與測試

圖1所示電路采用EVAL-CN0376-SDPZ評估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板。

EVAL-CN0376-SDPZ評估板具有PMOD兼容接頭，支持與外部控制板集成。

CN-0376評估軟件與SDP板通信，以便配置EVAL-CN0376-SDPZ評估板并從其中捕捉數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

帶USB端口的Windows? Vista（32位）或Windows 7（32位）PC

EVAL-CN0376-SDPZ電路評估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板

CN-0376評估軟件

精密電壓和電阻源，或熱電偶、RTD仿真器

電源： 4.5 V至36 V dc（100 mA）

開始使用

從ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0376/下載CN-0376評估軟件，然后安裝。 按照屏幕提示安裝并使用該軟件。 更多信息參見CN-0376軟件用戶指南。

測試設(shè)置功能框圖

圖7所示為測試設(shè)置的功能框圖。

圖7. 測試設(shè)置功能框圖

設(shè)置

EVAL-CN0376-SDPZ評估板通過120引腳對接連接器連接EVAL-SDP-CB1Z SDP板，兩個板上均有這種連接器。

CN-0376評估軟件和SDP板支持用PC分析數(shù)據(jù)。

對P3連接器施加一個4.5 V到36 V（標(biāo)稱值24 V）范圍內(nèi)的電壓。 務(wù)必將P8跳線設(shè)為EXT（默認(rèn)），以便通過P3電源為電路板供電。

外部控制器也可用來與評估板通信（通過PMOD接頭進(jìn)行SPI通信），以及為評估板供電。 若需要，可將P8跳線設(shè)為VCC_PMOD，以便通過PMOD連接器為評估板提供3.3 V電源。

精密電壓和電阻源可用作模擬前端的輸入，從而評估系統(tǒng)性能。 也可使用熱電偶或RTD仿真器。

圖8顯示了EVAL-CN0376-SDPZ電路評估板的實(shí)物照片。

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