CN0179 4-20 mA低功耗、14位、過(guò)程控制電流環(huán)路發(fā)送器

CN0179 對(duì)于14位或16位分辨率的解決方案，請(qǐng)考慮采用AD5641 or AD5662,。16 V CMOS運(yùn)算放大器ADA4665-2 是另一個(gè)選擇，可以代替AD8657。它的性價(jià)比更高，電壓噪聲更低，但缺點(diǎn)是電源電流較高。 針對(duì)此類應(yīng)用選擇放大器時(shí)，務(wù)必確保不要超出輸入共模電壓和電源電壓范圍。 本電路采用EVAL-CN0179-PMDZ電路板、EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng) 演示平臺(tái)(SDP) 評(píng)估板和SDP-PMD-IB1Z（一款針對(duì)EVAL-SDP-CB1Z的Pmod轉(zhuǎn)接板）。SDP和SDP-PMD-IB1Z板 具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。為了使用SDP-PMD-IB1Z和 SDP評(píng)估EVAL-CN0179-PMDZ板，通過(guò)一個(gè)間距為100密爾、面積為25平方密爾的標(biāo)準(zhǔn)直角12引腳Pmod接頭連接器把 EVAL-CN0179-PMDZ 連接至SDP-PMD-IB1Z。 有關(guān)如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)以及正確安裝硬件的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 CN0179 軟件用戶指南。 設(shè)備要求 帶USB端口且運(yùn)行Windows? XP、Windows? Vista（32位）或Windows? 7（32位）的PC EVAL-CN0179-PMDZ電路評(píng)估板 EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板 SDP-PMD-IB1Z CN0179評(píng)估軟件 Agilent E36311A雙直流電源（或等效設(shè)備） Agilent 3458A萬(wàn)用表（或等效設(shè)備） +6 V壁式電源適配器 GPIB轉(zhuǎn)USB電纜適配器（僅在捕捉輸出模擬數(shù)據(jù)并將其傳送到PC時(shí)才需要） 有關(guān)如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)以及正確安裝硬件的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN0179軟件用戶指南。 測(cè)試設(shè)置和測(cè)量 使用圖5中的測(cè)試設(shè)置對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。評(píng)估板的照片如圖6所示。 驅(qū)動(dòng)外部電流環(huán)路時(shí)，跳線不應(yīng)連接J1端子。跳線連接內(nèi)部250 Ω負(fù)載，并且應(yīng)當(dāng)在執(zhí)行電壓測(cè)量時(shí)使用。 ? 圖5.測(cè)試設(shè)置功能框圖 ? 圖6.EVAL-CN0179-PMDZ板照片 ? 對(duì)于工業(yè)和過(guò)程控制模塊，4 mA至20 mA電流環(huán)路發(fā)送器用作控制單元與執(zhí)行器之間的通信手段。12位DAC AD5621位于控制單元，根據(jù)輸入代碼產(chǎn)生0 V至5 V之間的輸出電壓VDAC。代碼通過(guò)SPI接口設(shè)置。輸入代碼與輸出電壓之間的理想關(guān)系可用下式表示： VDAC?= VREF?× (D/214) (1) 其中：VREF為ADR125的輸出電壓和AD5621的電源電壓。D是載入AD5621的二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等效值。 DAC輸出電壓設(shè)置流過(guò)檢測(cè)電阻RSENSE的電流： ISENSE?= VDAC/RSENSE?(2) 流過(guò)RSENSE 的電流作為VDAC 的函數(shù)在0 mA至2 mA范圍內(nèi)變化。此電流會(huì)在R1兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，并設(shè)置AD8657放大器(A2)的同相輸入端電壓。A2 AD8657使環(huán)路閉合，并將反相輸入端電壓拉至與同相輸入端相同的電壓。因此，流過(guò)R1的電流以10倍的系數(shù)鏡像到R2。這可以通過(guò)公式3表示： IOUT?= IR2?= (VDAC/RSENSE?) × ( R1/R2) (3) VDAC 的范圍為0 V至5 V，因此該電路產(chǎn)生的電流輸出范圍為0 mA至20 mA。 AD5621是一款12位DAC，屬于 nanoDAC 系列，采用基準(zhǔn)電壓源ADR125的5 V輸出電壓工作。它有一個(gè)片內(nèi)精密輸出緩沖器，該緩沖器能夠提供軌到軌輸出擺幅，因此其動(dòng)態(tài)輸出范圍非常高。電源電壓為5 V時(shí)，AD5621消耗的電源電流為75 μA（典型值）。 此外，本電路解決方案需要一個(gè)軌到軌輸入放大器。雙通道運(yùn)算放大器AD8657是絕佳選擇，具有低功耗和軌到軌特性。在額定電源電壓和輸入共模電壓范圍內(nèi)，該運(yùn)算放大器的工作電源電流為22 μA（典型值）。它還提供出色的單位電流噪聲和帶寬性能。AD8657是功耗最低的放大器之一，工作電源電壓最高可達(dá)18 V。 ADR125是一款精密、微功耗、低壓差(LDO)基準(zhǔn)電壓源。輸入電壓為18 V時(shí)，靜態(tài)電流僅95 μA（典型值）。之所以首選LDO基準(zhǔn)電壓源，是因?yàn)樗苁箯目刂茊卧綀?zhí)行器的環(huán)路電線承受更多壓降。為了保持穩(wěn)定，ADR125的輸出端需要一個(gè)0.1 μF小電容。另外再并聯(lián)一個(gè)0.1 μF至10 μF電容可以提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。雖然輸入電容不是必需的，但建議使用。輸入端可以串聯(lián)一個(gè)1 μF至10 μF的電容，以改善電源電壓突然變化時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。再并聯(lián)一個(gè)0.1 μF電容同樣有助于降低電源噪聲。 還需要旁路電容（圖1中未顯示）。本例中，每個(gè)雙通道運(yùn)放的每個(gè)電源引腳上都應(yīng)有一個(gè)10 μF鉭電容與一個(gè)0.1 μF陶瓷電容并聯(lián)。有關(guān)正確去耦技巧的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參考教程MT-101。 該電路解決方案輸出0 mA至20 mA的電流。圖2顯示在250 Ω負(fù)載電阻中測(cè)得的電路輸出電流。圖3所示為輸出電流誤差圖。 圖2. 0 mA至20 mA輸出電流 ? 圖3顯示輸出電流誤差圖，單位為滿量程范圍的百分比。最差情況下的總誤差約為0.35%，通過(guò)測(cè)量代碼256和代碼16,128之間的輸出范圍得到。 圖3. 輸出電流誤差圖 ? 圖4顯示校準(zhǔn)輸出電流誤差圖。移除圖3中的增益和偏置誤差后，精度高于0.05%，通過(guò)測(cè)量代碼256和代碼16,128之間的輸出范圍得到。 圖4.校準(zhǔn)輸出電流誤差圖 ? 圖3和圖4中的數(shù)據(jù)顯示零電平和滿量程時(shí)具有較大誤差，這是因?yàn)锳D5641 DAC輸出緩沖器限制輸出信號(hào)何時(shí)位于任意供電軌10 mV以內(nèi)所致。因此，線性度規(guī)格將代碼0和代碼255以及代碼16,129和代碼16,384之間的區(qū)域排除在外。其對(duì)應(yīng)的DAC電壓輸出約為0 V至80 mV以及4.92 V至5.00 V；參考電流輸出則為0 mA至0.32 mA以及19.68 mA至20.00 mA。 測(cè)試數(shù)據(jù)利用圖6所示測(cè)試板獲得。該系統(tǒng)的完整文檔位于 CN-0179設(shè)計(jì)支持包 中。 CN0179 CN0179 4-20 mA低功耗、14位、過(guò)程控制電流環(huán)路發(fā)送器 圖1所示電路是一個(gè)4 mA至20 mA電流環(huán)路發(fā)送器，用于過(guò)程控制系統(tǒng)與其執(zhí)行器之間的通信。除具有高性價(jià)比外，此電路還是業(yè)界功耗最低的解決方案。4 mA至20 mA電流環(huán)路廣泛用于采用數(shù)字或模擬輸入輸出的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)。電流環(huán)路接口之所以頗受青睞，是因?yàn)樗芤愿咝詢r(jià)比方式進(jìn)行長(zhǎng)距離抗擾數(shù)據(jù)傳輸。低功耗雙通道運(yùn)算放大器AD8657 、DACAD5621和基準(zhǔn)電壓源ADR125 的組合，可以為微控制器和數(shù)字隔離器等更高功耗器件提供更多功耗預(yù)算。此電路輸出電流為0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范圍一般對(duì)應(yīng)表示DAC或微控制器的輸入控制范圍，0 mA至4 mA的輸出電流范圍則常用于診斷故障條件。 12位、5 V AD5621需要75 μA的電源電流（典型值）。AD8657是一款軌到軌輸入/輸出雙通道運(yùn)算放大器，而且是目前業(yè)界功耗最低的放大器之一（在整個(gè)電源電壓和輸入共模范圍內(nèi)，其耗電流為22 μA），工作電壓最高可達(dá)18 V。ADR125是精密微功耗5 V帶隙基準(zhǔn)電壓源，僅需要95 μA電源電流。這三個(gè)器件總共消耗192 μA的電源電流（典型值）。 圖1. 低功耗4 mA至20 mA過(guò)程控制電流環(huán)路（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接） ? CN0179 CN0179 | circuit note and reference circuit info 4-20 mA低功耗、14位、過(guò)程控制電流環(huán)路發(fā)送器 | Analog Devices 圖1所示電路是一個(gè)4 mA至20 mA電流環(huán)路發(fā)送器，用于過(guò)程控制系統(tǒng)與其執(zhí)行器之間的通信。除具有高性價(jià)比外，此電路還是業(yè)界功耗最低的解決方案。4 mA至20 mA電流環(huán)路廣泛用于采用數(shù)字或模擬輸入輸出的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)。電流環(huán)路接口之所以頗受青睞，是因

• 低功耗4-20mA電流環(huán)路
• 12、14或16位數(shù)字控制
• 用于可編程邏輯控制器中

(analog)