#參考設(shè)計#采用低功耗、精密、24位、Σ-Δ型ADC的隔離式4 mA至20 mA/壓力工業(yè)變送器

1所示的電路是一個隔離式智能工業(yè)現(xiàn)場儀表，可連接多種類型的模擬傳感器，如溫度傳感器（Pt100、Pt1000和熱電偶）或橋式壓力傳感器。儀器通過4 mA至20 mA模擬輸出和高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器（哈特?）接口進(jìn)行通信。哈特是一種數(shù)字雙向通信，其中1 mA峰峰值頻移鍵控（FSK）信號調(diào)制在標(biāo)準(zhǔn)4 mA至20 mA模擬電流信號之上。哈特接口允許遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障詢問和過程變量傳輸?shù)裙δ?，這些功能在溫度和壓力控制等應(yīng)用中是必需的。

該電路采用AD 7124 -4，這是一款超低功耗、精密24位、ADC-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有溫度和壓力系統(tǒng)所需的所有特性。該電路還包括：16位、4 mA至20 mA環(huán)路供電數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）AD 5421;業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容IC調(diào)制解調(diào)器AD 5700;提供超低功耗串行外設(shè)接口（SPI）隔離的ADuM 1441;CMOS開關(guān)ADG 5433;以及隔離電源電路中的低功耗3.3 V穩(wěn)壓器ADP 162。
*附件：壓力工業(yè)變送器.pdf

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圖1. 4 mA至20 mA，環(huán)路供電現(xiàn)場儀表，帶哈特接口（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述

### 模擬前端接口

AD 7124 -4是一款低功耗、低噪聲、完全集成的模擬前端，適合高精度測量應(yīng)用。該器件內(nèi)置一個低噪聲、24位、ADC，可配置為4路差分輸入或7路單端或偽差分輸入。片內(nèi)低噪聲增益級可確保小幅度信號可直接連接到ADC。

AD 7124 -4的主要優(yōu)勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。功耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可根據(jù)所選的電源模式進(jìn)行調(diào)整。該設(shè)備還提供多種過濾器選項，確保用戶具有最高程度的靈活性。

當(dāng)以25 SPS（單周期建立）的輸出數(shù)據(jù)速率工作時，AD 7124 -4可以同時實現(xiàn)50 Hz和60 Hz抑制。

AD 7124 -4實現(xiàn)了最高程度的信號鏈集成。該器件內(nèi)置一個精密、低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，還支持一個外部差分基準(zhǔn)電壓源，可在內(nèi)部進(jìn)行緩沖。其他關(guān)鍵集成特性包括可編程低漂移激勵電流源、燒毀電流和偏置電壓發(fā)生器，后者可將通道的共模電壓設(shè)置為AVDD/2。低端電源開關(guān)使用戶能夠在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉橋接傳感器，確保系統(tǒng)的功耗絕對最低。該設(shè)備還允許用戶選擇使用內(nèi)部時鐘或外部時鐘進(jìn)行操作。

集成通道序列器允許同時使能多個通道，AD 7124 -4在每個使能通道上依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而簡化與器件的通信。任何時候都可以啟用多達(dá)16個通道;通道被定義為模擬輸入或診斷，例如電源檢查或參考檢查。此獨特功能允許診斷與轉(zhuǎn)換交錯進(jìn)行。AD 7124 -4還支持單通道配置。該設(shè)備允許八種配置或設(shè)置。每種配置都包括增益、濾波器類型、輸出數(shù)據(jù)速率、緩沖和基準(zhǔn)源。用戶可以逐個通道地分配這些設(shè)置中的任何一個。

AD 7124 -4還集成了廣泛的診斷功能，作為其全面特性集的一部分。這些診斷包括循環(huán)冗余校驗（CRC）、信號鏈檢查和串行接口檢查，從而提供更可靠的解決方案。這些診斷減少了對外部元件的需求，從而減少了電路板空間需求，縮短了設(shè)計周期，節(jié)省了成本。根據(jù)IEC 61508，典型應(yīng)用的故障模式影響和診斷分析（FMEDA）顯示安全故障分?jǐn)?shù)（SFF）大于90%。

傳感器輸入

該電路通過8針連接器支持3線和4線RTD、熱電偶和壓力傳感器。AD 7124 -4具有與這些傳感器接口所需的所有構(gòu)建模塊。對于連接的所有傳感器類型，ADC均在中功率模式下使用。使用后置濾波器是因為它在25 SPS下轉(zhuǎn)換時能夠同時實現(xiàn)50 Hz和60 Hz抑制。當(dāng)傳感器連接到電路時，ADC配置為適合所連接的傳感器類型。還可以執(zhí)行內(nèi)部滿量程和失調(diào)校準(zhǔn)，以最大限度地減小失調(diào)誤差和滿量程誤差，校準(zhǔn)由UART或哈特命令啟動。

AD 7124 -4片內(nèi)集成多種診斷功能，可確保設(shè)計的穩(wěn)健性。在該電路中，開路檢測確保傳感器連接，狀態(tài)寄存器中的上電復(fù)位（POR）受到監(jiān)控，以便在上電復(fù)位發(fā)生時通知用戶。每次轉(zhuǎn)換都讀取錯誤寄存器，其內(nèi)容通過哈特沿著傳感器結(jié)果發(fā)送。

RTD

電阻式溫度檢測器（RTD）可以測量?200°C至+600°C的溫度。典型的RTD是Pt100和Pt1000，由鉑制成。該電路使用Pt100。

4-線RTD

圖2顯示了4線Pt100 RTD如何連接到電路。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_01_1024.gif?w=900&thn=1&rev=2121f268ff4048e78b37eae5c5816af4&sc_lang=en)

圖2. 4-線RTD

AD 7124 -4的一個片內(nèi)激勵電流激勵Pt 100。Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600°C時）。如果激勵電流編程為250 μA，則Pt100兩端產(chǎn)生的最大電壓為

當(dāng)可編程增益陣列（PGA）的增益設(shè)置為16時，調(diào)制器輸入端的最大電壓為

一個5.6 kΩ精密電阻（0.05%，10 ppm/°C）產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。選擇基準(zhǔn)電阻RREF的值，使其兩端產(chǎn)生的電壓在本電路中具有最小值1.25 V，也就是說，由于模擬輸入，調(diào)制器輸入端的電壓小于或等于基準(zhǔn)電壓。為Pt 100供電的250 μA電流也流經(jīng)5.6 kΩ電阻，從而形成比率配置。因此，激勵電流的任何變化對電路的性能沒有影響。精密電阻器兩端產(chǎn)生的電壓為

模擬輸入和基準(zhǔn)電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調(diào)制器采樣頻率倍數(shù)處的任何干擾混疊進(jìn)入目標(biāo)頻帶。為確保這些濾波器和外部電阻不會導(dǎo)致增益誤差，基準(zhǔn)電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動使能，因為這些緩沖器在使用PGA時使能?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器需要一定的裕量（電源軌內(nèi)為100 mV）。因此，在低壓側(cè)包括一個470 Ω電阻，以提供此裕量。

250 μA激勵電流需要370 mV裕量。此引腳上的電壓為（470 + 5600 + 313.71）Ω × 250 μA = 1.6 V，可以接受。

AIN4和AIN5引腳用作AINP和AINM模擬輸入。

連接器引腳上的1 kΩ電阻具有雙重用途：它們組成抗混疊濾波器，并且在發(fā)生過壓（例如，由于布線錯誤）時保護(hù)模擬輸入。

電路筆記CN-0383提供了有關(guān)4線式Pt100傳感器與AD 7124 -4接口以及轉(zhuǎn)換線性化或后處理的更多詳細(xì)信息。

圖1所示電路還支持4線Pt1000 RTD。電路連接與Pt100所用的相同。所用ADC配置如本節(jié)前面所述，但PGA增益設(shè)置為1。

3-線RTD

圖3顯示了三線制Pt100 RTD如何連接到電路。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_02_1024.gif?w=900&thn=1&rev=de2bd2ef831847fd95ce213b547f9caf&sc_lang=en)

圖3. 3-線RTD

AD 7124 -4具有兩個匹配的激勵電流。兩者都與3線RTD一起使用，以便可以執(zhí)行引線補償。由于Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600 °C時），因此激勵電流編程為250 μA?；鶞?zhǔn)電阻RREF連接在頂部。因此，一個250 μA激勵電流（IOUT 0）在引腳AIN 6上輸出，流經(jīng)5.6 kΩ精密基準(zhǔn)電阻（0.05%，10 ppm/°C），然后流經(jīng)Pt100。第二個250 μA電流（IOUT 1）通過引腳AIN 7輸出。該電流由于引線電阻而產(chǎn)生電壓，該電壓與由于AIN 6上的電流而產(chǎn)生的引線電阻電壓相反。因此，由于引線電阻引起的誤差被最小化。

5.6 Ωk基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓為

Pt100兩端產(chǎn)生的最大電壓為

當(dāng)PGA設(shè)置為增益16時，在AD 7124 -4調(diào)制器處觀察到的電壓為

此電壓在范圍內(nèi)，因為它小于參考電壓。

模擬輸入和基準(zhǔn)電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調(diào)制器采樣頻率倍數(shù)處的任何干擾混疊到目標(biāo)頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不會導(dǎo)致增益誤差，基準(zhǔn)電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動使能，因為這些緩沖器在使用PGA時使能。基準(zhǔn)電壓緩沖器需要一定的裕量（電源軌內(nèi)為100 mV）。因此，在低壓側(cè)包括一個470 Ω電阻，以提供此裕量。

250 μA激勵電流需要370 mV裕量。此引腳上的電壓為（470 Ω × 2 × 250 μA）+（5600 + 313.71）Ω × 250 μA = 1.713 V，可以接受。

電路筆記CN-0383詳細(xì)介紹了如何將三線式Pt100傳感器與AD 7124 -4接口，以及如何對轉(zhuǎn)換進(jìn)行線性化或后處理。

圖1所示電路還支持三線制Pt1000 RTD。電路連接與Pt100所用的相同。所用ADC配置與本節(jié)前面所述相同，但PGA增益設(shè)置為1。

熱電偶

圖4顯示了熱電偶如何連接到電路。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_03_1024.gif?w=900&thn=1&rev=ac63186d98bb46f8acf02b3980d915df&sc_lang=en)

圖4. t型熱電偶

熱電偶由兩種不同類型的導(dǎo)線連接而成。產(chǎn)生電壓，其取決于溫度。例如，T型熱電偶通常在溫度發(fā)生1°C變化時產(chǎn)生40 μV的電壓。

熱電偶電壓必須偏置到某個電壓。AD 7124 -4內(nèi)置一個VBIAS源，可將熱電偶偏置至（AVDD ? AVSS）/2。偏置電壓在AIN 6通道上使能并施加到熱電偶，如圖4所示。偏置電壓也可以通過模擬輸入的AINM引腳使能。但是，在這種情況下，必須限制外部R和C值，因為AINM上的偏置電壓與AINP上的濾波電壓之間存在差異;此差異非常大，會影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。

熱電偶測量是絕對測量，內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源用于轉(zhuǎn)換。使用T型熱電偶。該熱電偶可以測量?200°C至+400°C的溫度，從而產(chǎn)生?8 mV至+16 mV的電壓范圍。PGA設(shè)定為128。

對于冷端補償，使用NTC熱敏電阻（10 kΩ，1%，3435 K）。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_04_1024.gif?w=900&thn=1&rev=afb8be19c109485e9e0e906fc08500ce&sc_lang=en)

圖5.熱敏電阻

內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為熱敏電阻供電，該轉(zhuǎn)換的增益設(shè)置為1。電阻RREF用于熱敏電阻的低端。這是一個精密5.6 kΩ電阻（0.05%，10 ppm/°C）。熱敏電阻VNTC兩端的電壓為

其中：

VREF為基準(zhǔn)電壓。ADC CODE是從AD 7124 -4讀取的代碼。2 24是ADC的最大代碼。

熱敏電阻的電阻RNTC為：

其中：

RREF = 5.6 kΩ。V REF為基準(zhǔn)電壓。

結(jié)合這些方程，

其中：

ADCCODE是從AD 7124 -4讀取的代碼。R REF = 5.6 kΩ。FS CODE是來自AD 7124 -4（224）的滿量程代碼。

然后在微控制器中使用基于熱敏電阻方程的查找表將電阻轉(zhuǎn)換為溫度：

其中：

T是熱敏電阻記錄的溫度（K）。R 0 = 10 kΩ。β = 3435 K。T0 = 298.15K。

得到的溫度為T ? 273.15 °C。

5.6 kΩ電阻還為模擬輸入提供裕量，因為模擬輸入緩沖器使能，需要100 mV裕量。這個電阻器還保護(hù)電路，因為它限制了電流，如果錯誤布線發(fā)生。

電路筆記CN-0384詳細(xì)介紹了熱電偶傳感器與AD 7124 -4的接口以及轉(zhuǎn)換的線性化或后處理。

壓力傳感器

電壓激勵壓力傳感器的連接方式如圖6所示，而電流激勵壓力傳感器的連接方式如圖7所示。使用Honeywell壓力傳感器（Honeywell S C 24PCDFA6D）。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_05_1024.gif?w=900&thn=1&rev=0f75f82e080345b6894d478ce29b7b79&sc_lang=en)

圖6.電壓激勵壓力傳感器

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_06_1024.gif?w=900&thn=1&rev=8bba2e8424124231892176b99f59e714&sc_lang=en)

圖7.電流激勵壓力傳感器

對于電壓激勵架構(gòu)，AVDD（3.3 V）激勵傳感器。如果AVDD用于激勵稱重傳感器，則激勵電壓可直接用作ADC參考。請注意，在傳感器的高端和低端添加了一個電阻，以確保滿足AD 7124 -4緩沖器的裕量要求。使用的增益為16。

對于電流激勵模式，AD 7124 -4的兩個100 μA激勵電流均指向引腳AIN 6，從而為傳感器提供200 μA激勵電流。再次將增益設(shè)置為16?；鶞?zhǔn)電壓源由一個5.6 kΩ精密電阻產(chǎn)生。這種布置導(dǎo)致比率配置，即勵磁電流值的任何偏差對系統(tǒng)精度沒有影響。

該電路板包括將傳感器低端連接到GND或AD 7124 -4電源開關(guān)的選項。

如前所述，模擬輸入和基準(zhǔn)電壓輸入具有抗混疊濾波器，可抑制ADC采樣頻率倍數(shù)時產(chǎn)生的任何干擾。如果出現(xiàn)過壓，串聯(lián)電阻器也會限制電流。

主要傳感器模擬

該電路包括一個電阻網(wǎng)絡(luò)和電位計，用于傳感器模擬（圖1所示的主傳感器模擬電路）。利用電位計，施加在AIN 0（AINP）和AIN 1（AINM）之間的電壓可在約?0.09 V至約+1.36 V范圍內(nèi)變化。該電路使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行轉(zhuǎn)換; AD 7124 -4增益設(shè)為1，模擬輸入緩沖器使能。這種配置允許用戶評估電路，而無需連接外部傳感器。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理、算法和通信

演示軟件（包含在CN-0382設(shè)計支持包中）執(zhí)行初始化和配置，處理模擬輸入數(shù)據(jù)，控制模擬輸出，并執(zhí)行哈特通信。所有提到的傳感器都需要線性化或補償。該線性化在軟件中執(zhí)行。有關(guān)RTD和熱電偶傳感器以及所需線性化的更多詳細(xì)信息，請參見電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384。

模擬輸出

AD5421集成了一個低功耗、精密、16位DAC和一個4 mA至20 mA環(huán)路供電輸出驅(qū)動器，并提供現(xiàn)場儀表模擬輸出所需的所有功能。

AD5421通過SPI接口與微控制器連接。

AD 5421還包括一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關(guān)的診斷功能。輔助ADC可以通過連接到VLOOP引腳的20 MΩ/1 MΩ電阻分壓器測量儀表回路端子上的電壓。ADC還可以通過集成傳感器測量芯片溫度。微控制器可以配置和讀取AD 5421的所有診斷信息;但AD 5421也可以自主工作。

例如，如果控制器與AD5421之間的通信失敗，AD5421會在規(guī)定時間后自動將其模擬輸出設(shè)置為3.2 mA報警電流。該報警電流向主機指示現(xiàn)場儀表無法運行。

軟件控制輸出電流從一個值到另一個值的任何變化，以防止干擾哈特通信。

哈特通信

AD5700集成了完整的哈特FSK調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器通過標(biāo)準(zhǔn)的UART接口連接到微控制器，并通過請求發(fā)送（RTS）和載波檢測（CD）信號進(jìn)行補充。

哈特輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器縮放至所需幅度，并耦合至AD 5421 CIN引腳，在此與DAC輸出結(jié)合，以驅(qū)動和調(diào)制輸出電流。

哈特輸入通過一個簡單的無源RC濾波器從LOOP+耦合到AD 5700 ADC_IP引腳。RC濾波器作為哈特解調(diào)器的第一級帶通濾波器工作，還提高了系統(tǒng)的電磁抗擾度，這對于在惡劣工業(yè)環(huán)境中工作的魯棒應(yīng)用非常重要。

AD5700低功耗振蕩器利用直接連接到XTAL 1和XTAL 2引腳的3.6864 MHz外部晶振為哈特調(diào)制解調(diào)器生成時鐘。

輸出保護(hù)

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）可保護(hù)4 mA至20 mA哈特接口免受過壓影響。選擇TVS額定電壓，使其不超過AD 5421 REGIN引腳上的絕對最大電壓60 V。請注意，TVS漏電流會影響電流輸出精度;因此，在選擇此器件時，請注意給定環(huán)路電壓和溫度范圍下的漏電流。

外部耗盡型FET可與AD5421配合使用，以提高環(huán)路電壓最大值。

該電路由一對與環(huán)路輸出串聯(lián)的二極管提供反極性保護(hù)。

與環(huán)路串聯(lián)的鐵氧體磁珠以及4700 pF電容可提高系統(tǒng)EMC性能。由于哈特網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，請勿在回路端子之間使用較高的電容。

4.7 V低泄漏齊納二極管可在AD5421 COM引腳與LOOP?引腳之間出現(xiàn)意外外部電壓時（例如，調(diào)試電路時）保護(hù)片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測電阻。

電源和電源管理

整個現(xiàn)場儀表電路（包括傳感器驅(qū)動電流）必須在4 mA至20 mA環(huán)路的有限可用功率下工作。這是任何環(huán)路供電現(xiàn)場儀表設(shè)計中的常見挑戰(zhàn)。圖1中的電路提供了一個同時提供低功耗和高性能解決方案的示例。該應(yīng)用中使用的所有集成電路均為低功耗設(shè)計，該電路利用其集成特性提供靈活的電源管理結(jié)構(gòu)和最佳環(huán)路供電解決方案。

AD 5421由4 mA至20 mA環(huán)路電壓供電，并為電路的其余部分提供穩(wěn)壓低電壓。根據(jù)電路要求，AD 5421 REGOUT電壓可在1.8 V至12 V范圍內(nèi)進(jìn)行引腳編程。圖1中的電路使用9 V電源電壓選項。傳感器側(cè)通過簡單的推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器與4-20 mA環(huán)路隔離。ADG 5433由微控制器提供時鐘，產(chǎn)生9 V非重疊方波，驅(qū)動一個Transformer。Transformer工作電壓比為2：1。副邊的4.5 V電壓由ADP 162整流和調(diào)節(jié)，為AD 7124 -4提供低噪聲3.3 V電源。AD 7124 -4的模擬和數(shù)字3.3 V電源均由ADP 162調(diào)節(jié)器供電。然而，包括濾波器（L1/R19）以防止來自數(shù)字電路的噪聲被饋送到模擬部分。

AD5421在環(huán)路側(cè)提供3.3 V邏輯電源。微控制器和AD5700直接使用該電源。

REGOUT RC濾波器（10 μF/10 Ω/10 μF）有助于防止來自環(huán)路的任何干擾影響模擬電路。它還可防止電路（特別是控制器和數(shù)字電路）產(chǎn)生的任何干擾耦合回環(huán)路，這對于可靠的哈特通信非常重要。

AD 5700哈特調(diào)制解調(diào)器通過一個附加RC濾波器（470 Ω/1 μF）供電。該濾波器在環(huán)路供電應(yīng)用中非常重要，因為它可以防止來自AD 5700的電流噪聲耦合到4 mA至20 mA環(huán)路輸出，否則會影響哈特通信。AD 5700調(diào)制解調(diào)器使用帶8.2 pF電容的外部晶振在XTAL 1和XTAL 2引腳上接地，這是功耗最低的選項。

AD 7124 -4的主要優(yōu)勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。lt;電流消耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可根據(jù)所選電源模式進(jìn)行調(diào)整。因此，對于4 mA至20 mA或便攜式設(shè)備，低或中功率模式是最佳選擇。對于功耗不是問題的過程控制系統(tǒng)，可以使用全功率模式，從而降低噪聲。對于該環(huán)路供電電路，使用中功率模式。有關(guān)電源模式的更多信息，請參見AD 7124 -4數(shù)據(jù)手冊。

連接壓力傳感器時，AD 7124 -4的PSW接地開關(guān)引腳控制激勵/電源。儀器上電時，開關(guān)默認(rèn)關(guān)閉。此默認(rèn)值允許在開啟傳感器之前對系統(tǒng)進(jìn)行完全配置，包括適當(dāng)?shù)碾娫茨Ｊ?，從而最大限度地減少4 mA至20 mA環(huán)路輸出上可能出現(xiàn)的上電尖峰。

當(dāng)連接RTD傳感器時，它由AD 7124 -4的可編程電流源供電，因此其電源完全由軟件控制。同樣，對于熱電偶傳感器，偏置電壓和絕對基準(zhǔn)電壓源嵌入在AD 7124 -4中，因此由軟件控制。

軟件

微控制器通過SPI接口與AD 7124 -4和AD 5421連接。它通過UART接口UART 0與AD 5700通信。軟件通過微控制器上的第二個UART接口UART 1下載到微控制器。

啟動時，微控制器配置所有三個器件，AD 7124 -4配置為T型熱電偶。AD 7124 -4工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下。因此，其DOUT/RDY引腳也連接到微控制器上的中斷。每當(dāng)ADC有轉(zhuǎn)換可用時，微控制器就會產(chǎn)生一個中斷，并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化和處理。結(jié)果發(fā)送至AD 5421 DAC，通過4 mA至20 mA環(huán)路傳輸。用于演示電路功能和性能的軟件包含在CN-0382設(shè)計支持包中。該軟件支持本電路筆記中提到的所有傳感器類型。CN-0382設(shè)計支持包中還提供了有關(guān)如何針對不同傳感器類型更改軟件的文檔以及有關(guān)將軟件下載到微控制器的詳細(xì)信息。

代碼示例包括一個基本的哈特從機命令響應(yīng)，以演示硬件功能和能力。然而，代碼示例不包括哈特通信的協(xié)議層。

## 常見變化


            


            
                
                    AD 7124 -4具有高性能和非常靈活的模擬前端，具有4個差分或7個偽差分模擬輸入引腳，以及用于基準(zhǔn)電壓源和低端電源開關(guān)的額外引腳。它允許直接接口到不同類型的多個模擬傳感器，如任何電阻橋式傳感器，電阻溫度傳感器或熱電偶。因此，不要將現(xiàn)場儀表解決方案僅限于本電路筆記中列出的傳感器類型，因為它幾乎可以用于任何傳感器現(xiàn)場儀表。

AD 7124 -8可用作AD 7124 -4的替代產(chǎn)品。AD 7124 -4和AD 7124 -8具有相同的性能。然而，AD 7124 -8提供8路差分或15路偽差分輸入，因此適合需要高通道數(shù)的應(yīng)用。

AD5421可以通過保護(hù)直接連接到環(huán)路。也可以在AD5421和環(huán)路電源之間連接一個耗盡型N溝道MOSFET，如圖8所示。在此配置中使用附加MOSFET可使AD5421兩端的壓降保持在約12 V，降低AD5421封裝中的功耗，從而提高4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還將環(huán)路中允許的最大電壓提高到MOSFET額定值。附加MOSFET對哈特通信沒有影響。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_07_1024.gif?w=900&thn=1&rev=eb77176c340449edab51f33af99d25e4&sc_lang=en)

圖8. MOSFET連接到AD5421環(huán)路電源

該電路采用3.6864 MHz晶振，這是實現(xiàn)最低功耗的配置?；蛘撸部梢允褂眉?.5%精度內(nèi)部振蕩器的AD 5700 -1。與晶體振蕩器相比，內(nèi)部振蕩器可將調(diào)制解調(diào)器電源電流最大增加225 μA;但是，由于不需要外部晶體，因此該選項既節(jié)省了成本，又降低了電路板面積要求。

對于非環(huán)路供電的應(yīng)用，AD5410、AD5420、AD5422或AD5755是4 mA至20 mA DAC的理想選擇。

最 后 ， 有 很多 可以 使用 的 絕緣 體 產(chǎn)品 可 供 選擇阿杜 1441： The阿杜 1440, 阿杜 1442, 阿杜 1445, 阿杜 1446, 阿杜 1447, adum 1240 的, adum 1241 的, adum 1245 的， 且阿杜 1246.

## 電路評估測試


            


            
                
                    ### 電路硬件

圖1所示電路構(gòu)建在圖9所示的DEMO-AD 7124-DZ印刷電路板（PCB）上。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_08_1024.gif?w=900&thn=1&rev=ede67cdf7cea49b4989c92fed5914940&sc_lang=en)

圖9. DEMO-AD 7124-DZ印刷電路板

DEMO-AD 7124-DZ電路板還具有其他特性，便于系統(tǒng)評估。RTD、熱電偶或壓力傳感器可通過8針連接器J5連接。哈特RTS和CD有測試點。4針連接器允許將代碼下載到微控制器。

CN-0382設(shè)計支持包還包括一個完整的現(xiàn)場儀表C代碼示例，適用于3線和4線Pt100和Pt1000 RTD、熱電偶和電壓/電流激勵壓力傳感器，可對所有硬件模塊和電路特性進(jìn)行全面驗證和評估，并對哈特接口功能進(jìn)行有限驗證。有關(guān)哈特接口規(guī)范和資源的詳細(xì)信息，請聯(lián)系哈特通信基金會。

電路功耗

為了便于在線測量，該電路有許多測試點來測量電流。AD5421的REGOUT引腳和DVDD引腳的路徑中包含一個10 Ω電阻。ADP162的輸出路徑中也包含一個類似的10 Ω電阻。10 Ω電阻的每一側(cè)都有測試點。這種設(shè)置允許測量每個電阻上的電壓降，并在不中斷電源電流或干擾電路的情況下計算電流。

電路配置如下：

• 微控制器核心時鐘= 1 MHz
• AD 7124 -4和模擬電路工作在每個傳感器類型的相關(guān)模式下
• AD5421以10 SPS的速率運行和更新環(huán)路輸出電流
• 哈特通信，定期響應(yīng)主機請求讀取所有設(shè)備變量

表1.電路電流消耗| 模式 | AD5421內(nèi)部（mA） | DVDD 3.3 V（mA） | REGOUT 9.0 V（mA） | 總斷開回路（mA） | 隔離3.3 V（mA） |
| --------------------------------------------------------------------------------------------------- | ------------------ | ------------------ | -------------------- | ------------------ | ----------------- |
| 仿真 | 0.28 | 0.63 | 0.82 | 1.73 | 0.48 |
| RTD 4線 | 0.28 | 0.63 | 1.00 | 1.91 | 0.84 |
| RTD 3線 | 0.28 | 0.63 | 1.12 | 2.03 | 1.08 |
| TC | 0.28 | 0.63 | 0.89 | 1.80 | 0.61 |
| 壓力 | | | | | |
| V模式 | 0.28 | 0.63 | 1.16 | 2.07 | 1.15 |
| I模式 | 0.28 | 0.63 | 0.98 | 1.89 | 0.79 |

表1顯示了各個模塊的電源電流：AD 5421本身（估計值，通過將AD 5421置于最小環(huán)路電流中進(jìn)行驗證）、DVDD 3.3 V供電電路（微控制器、哈特調(diào)制解調(diào)器和SPI隔離的原邊）以及隔離電源的原邊9 V。這些分量加在一起，構(gòu)成電路本身從環(huán)路中取出的總電流，然后再加上可變電流分量，產(chǎn)生4 mA至20 mA輸出。隔離式3.3 V列是來自隔離式3.3 V的電流，為傳感器、AD 7124 -4和SPI隔離的副邊供電。

該電路具有所有相關(guān)的模擬和數(shù)字模塊，包括輸入傳感器，其功耗在最小4 mA環(huán)路輸出電流允許的預(yù)算范圍內(nèi)。

傳感器輸入性能

4-線RTD

圖10顯示了連接到4線RTD時的系統(tǒng)性能。使用B級Pt100傳感器。AD 7124 -4配置如下：

• 功率模式：中功率模式
• 過濾器：post filter，25 SPS
• 激勵電流：在AIN6上使能，設(shè)置為250 μA
• 增益= 16
• 極性：單極
• 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能
• RTD連接到AIN 4/AIN 5通道
• 基準(zhǔn)電壓源：REFIN1，5.6 kΩ基準(zhǔn)電阻連接在REFIN1端子之間
• 上電時執(zhí)行AD 7124 -4內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_09_1024.gif?w=900&thn=1&rev=ec1eba5f73ac46d9a6e4a5ddcdd15fb2&sc_lang=en)

圖10. 4-線RTD測量

從ADC讀取的轉(zhuǎn)換在微控制器內(nèi)線性化。當(dāng)電路板保持在25°C時，Pt100傳感器上的溫度從0°C掃描到100°C。圖10顯示了演示的準(zhǔn)確性。演示的測量精度在B級Pt 100傳感器的規(guī)定精度范圍內(nèi)。

3-線RTD

圖11顯示了連接到3線RTD時的系統(tǒng)性能。使用B級Pt 100。AD 7124 -4配置如下：

• 功率模式：中功率模式
• 過濾器：post filter，25 SPS
• 激勵電流IOUT0：在AIN 6上使能，設(shè)置為250 μA
• 激勵電流IOUT1：在AIN 7上使能并設(shè)置為250 μA
• 增益= 16
• 極性：單極
• 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能
• RTD連接到AIN 4/AIN 5通道
• 基準(zhǔn)電壓源：REFIN1，5.6 kΩ基準(zhǔn)電阻連接在REFIN1端子之間
• AD 7124 -4上電時執(zhí)行內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_10_1024.gif?w=900&thn=1&rev=0c6bf360fd8d4ce692982a9dae30086a&sc_lang=en)

圖11. 3-線RTD測量

當(dāng)電路板保持在25°C時，Pt100傳感器上的溫度從0°C掃描到100°C。從ADC讀取的轉(zhuǎn)換在微控制器內(nèi)線性化。圖中顯示了強制溫度與電路板測量溫度之間的誤差。在溫度掃描之前，在25°C下進(jìn)行內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，3線Pt 100完全在B級Pt 100允許的范圍內(nèi)。圖11顯示了演示的準(zhǔn)確性。演示的測量精度在B級Pt 100傳感器的規(guī)定精度范圍內(nèi)。

熱電偶

圖12顯示了連接到T型熱電偶時的系統(tǒng)性能。AD 7124 -4配置如下：

• 功率模式：中等功率模式
• 熱電偶配置
  • 增益= 128
  • 通道：AIN 4/AIN 5
  • 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源使能
  • 過濾器：post filter，25 SPS
  • 極性：雙極
• AD 7124 -4上電時執(zhí)行內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)
• 冷接點配置
  • 增益= 1
  • 濾波器：快速建立Sinc ^3^ ，44.44 SPS
  • 通道：AIN 2/AIN 3
  • 選擇內(nèi)部參考
  • 模擬輸入緩沖器使能
  • 極性：單極

AD 7124 -4的滿量程誤差在增益為1時經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，因此無需執(zhí)行額外校準(zhǔn)。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_11_1024.gif?w=900&thn=1&rev=2a36712a01f24fc0bf882fc3b6c0d466&sc_lang=en)

圖12. T型熱電偶測量（環(huán)境溫度下的冷結(jié)）

在圖12中，冷端保持在25°C，熱電偶從0°C掃描到100°C。從ADC讀取的轉(zhuǎn)換在微控制器內(nèi)進(jìn)行處理和線性化。

T型熱電偶的精度為1°C或0.75%，以較大者為準(zhǔn)。熱敏電阻也增加了一些誤差。電路中使用的熱敏電阻的精度為1%或1°C，以較大者為準(zhǔn)。圖12顯示了強制溫度和測量溫度之間的差異。結(jié)果完全符合熱電偶/熱敏電阻組合的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

重復(fù)測量，熱電偶保持在25°C，冷端從0°C掃描到80°C（見圖13）。該系統(tǒng)的整體精度為1.75°C，可以通過使用更精確的冷端（如Pt100傳感器）來提高。

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_12_1024.gif?w=900&thn=1&rev=0f4fce1362054ed884ab264eb9ab576f&sc_lang=en)

圖13. T型熱電偶測量（冷端掃描和熱電偶保持在環(huán)境溫度下）

壓力

在連接壓力傳感器的情況下，進(jìn)行噪聲測試。噪聲電平是模擬前端與電路板上其余電路相互作用的主要影響因素。因此，進(jìn)行了測試，重點是系統(tǒng)的噪聲和相關(guān)分辨率性能。

演示配置為通過哈特通信傳輸數(shù)據(jù)，以kPa為單位表示壓力。采集了100個樣本，并完成了量化性能的基本數(shù)據(jù)分析。第一個測試是在連接標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器（Honeywell 24PCDFA6D）的情況下進(jìn)行的。第二個測試是用短路輸入產(chǎn)生的輸入信號進(jìn)行的。

在傳感器被電流源和電壓激勵的情況下進(jìn)行測試。在電壓模式下，AD 7124 -4配置如下：

• 功率模式：中功率模式
• 過濾器：post filter，25 SPS
• 增益= 16
• 極性：雙極
• 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能
• 傳感器連接到AIN 4/AIN 5通道
• 基準(zhǔn)電壓：REFIN2，該基準(zhǔn)電壓由壓力傳感器的檢測電阻提供。

在電流激勵模式下，AD 7124 -4配置如下：

• 功率模式：中功率模式
• 過濾器：post filter，25 SPS
• 激勵電流：在AIN6上啟用兩個激勵電流，并設(shè)置為100 μA，導(dǎo)致總電流為200 μA
• 增益= 16
• 極性：雙極
• 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能
• 傳感器連接到AIN 4/AIN 5通道
• 基準(zhǔn)電壓源：REFIN1，5.6 kΩ基準(zhǔn)電阻跨接在REFIN1端子上。

性能總結(jié)如表2所示，信號圖如圖14至圖17所示。

表2.壓力傳感器：噪聲和分辨率| 參數(shù) | 電壓模式 | 電流模式 | 單元 |
| ---------------------------------- | ---------- | ---------- | ------ |
| 壓力傳感器 | 短路輸入 | 壓力傳感器 | 短路輸入 |
| 滿量程 | 391.47 | 391.47 | 438.45 | 438.45 | kPa |
| 噪聲RMS | 0.66 | 0.61 | 1.76 | 1.69 | Pa |
| 峰間噪聲 | 3.5 | 3.2 | 11.1 | 9.8 | Pa |
| 有效（RMS）分辨率 | 19.2 | 19.3 | 17.9 | 18 | 比特 |
| 無噪聲（峰間）分辨率 | 16.8 | 16.9 | 15.3 | 15.4 | 比特 |

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_13_1024.gif?w=900&thn=1&rev=ccfee68baf1346379dc464bb55c4cc59&sc_lang=en)

圖14.電壓模式-壓力傳感器輸入波形

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_14_1024.gif?w=900&thn=1&rev=55ccb28b65dd4c9380cfe27b87f7e11e&sc_lang=en)

圖15.電壓模式短路輸入波形

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_15_1024.gif?w=900&thn=1&rev=b20043d7c45440f9a53c2fee9bf40fc3&sc_lang=en)

圖16.當(dāng)前模式-壓力傳感器輸入波形

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](https://www.analog.com/en/_/media/analog/en/reference-circuits/images/cn0382_16_1024.gif?w=900&thn=1&rev=d337ee1b20334925bd0ea5c8b4e2873e&sc_lang=en)

圖17.電流模式短路輸入波形