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評估和設計支持 電路評估板 CN0328評估板(EVAL-CN0328-SDPZ) 系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z) 設計和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優(yōu)勢 完全隔離式4通道多路復用HART模擬輸出電路 圖1所示電路將AD5755-1(四通道電壓和電流輸出DAC，帶動態(tài)功率控制)和AD5700-1 HART調制解調器結合了起來，結果打造出一種完全隔離式多路復用HART模擬輸出解決方案。電源既可由板載變壓器隔離電路提供(±13 V和+5.2 V輸出，依負載電流而定)，也可由連接到端子板的外部電源提供。該電路適合可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)模塊，這些模塊要求多個HART兼容型4 mA至20 mA電流輸出及單極性或雙極性電壓輸出。同時還包括外部瞬變保護電路，這對惡劣工業(yè)環(huán)境中的應用極其重要。 AD5755-1 DAC可通過軟件配置，允許用戶輕松編程輸出范圍及用于動態(tài)電源控制所需要的DC-DC轉換器設置。通過該DAC可以訪問所有內部控制寄存器，包括壓擺率控制寄存器，該寄存器對采用HART通信協議的應用至關重要。 AD5700-1是業(yè)內功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調制解調器。它充當一款HART頻移鍵控(FSK)半雙工調制解調器，集成所有必要的信號檢測、調制、解調和信號發(fā)生功能。內置一個精度為0.5%的內部振蕩器，從而降低了電路板空間要求和成本。AD5700-1采用標準的UART接口。 數字隔離以基于ADI公司iCoupler技術的四通道和雙通道ADuM3481/ADuM3210數字隔離器元件實現。iCoupler技術的使用降低了基于光隔離器的解決方案通中額外外部元件的需求。外部變壓器用于將功率傳輸到隔離柵的另一端。ADG759在四個模擬輸出通道上提供了多路復用功能，由此可實現HART通信。它根據2位二進制地址線A0和A1所確定的地址，將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出。禁用時，所有通道均關斷。提供旁路鏈路，以便能靈活地繞開多路復用器。 圖1. CN0328頂層框圖 圖2. 集成變壓器隔離電源解決方案的4通道多路復用HART模擬輸出電路(簡化原理圖： 未顯示所有連接和去耦) 電路描述 對于工業(yè)控制模塊，標準模擬輸出電壓和電流范圍包括±5 V、±10 V、0 V至+5 V、0 V至+10 V、+4 mA至+20 mA和0 mA至+20 mA。電壓輸出范圍還提供20%的超范圍特性。AD5755-1支持所有這些范圍，是一種高精度、全集成、低成本的單芯片解決方案。每個DAC通道都有一個增益(M)寄存器和一個失調(C)寄存器，用于消除整個信號鏈的增益和失調誤差。 電流輸出和電壓輸出通過獨立引腳提供，任何時候僅一個輸出處于有效狀態(tài)，因而允許將兩個輸出引腳連在一起并接到單個引腳上。當使能電流輸出時，電壓輸出處于三態(tài)模式；當使能電壓輸出時，電流輸出為三態(tài)模式。模擬輸出受短路和開路保護。 AD5755-1支持內部或外部精密電流設置電阻用于電壓-電流轉換電路，如圖3所示。輸出電流值在全溫度范圍內的穩(wěn)定性取決于RSET值的穩(wěn)定性。作為提高輸出電流在整個溫度范圍內的穩(wěn)定性的一種方法，可將一個外部15 kΩ低漂移電阻連接到AD5755-1的RSET_X引腳，以取代內部電阻。外部電阻通過DAC控制寄存器進行選擇。高精度測量通過兩種選項進行評估。 圖3. 電壓-電流轉換電路 精密基準電壓源的選擇 AD5755-1有一個片內10 ppm/°C(最大值)基準電壓源。為了提高在整個溫度范圍內的性能，該設計采用一個ADR02基準電壓源，其最大漂移為3 ppm/°C(B級，SOIC封裝)。基準輸入端的電壓用于為DAC內核提供經緩沖的基準電壓。因此，任何基準電壓誤差都會反應到的輸出端。 ADR02是一款5 V精密基準電壓源，允許高達36 V的輸入電壓。其最大精度誤差為0.06%，最大溫度漂移為3 ppm/°C(B級，SOIC封裝)。該漂移在工業(yè)溫度范圍內會貢獻大約0.02%誤差。其長期漂移為50 ppm(典型值)，0.1 Hz至10 Hz噪聲指標為10μ Vp-p(典型值)。 動態(tài)功率控制 AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉換器電路的動態(tài)電源控制功能，在電流輸出模式下可降低功耗。多數PLC電流輸出電路都采用一個固定電壓源，以滿足整個負載電阻值范圍內的順從輸出電壓要求。例如，在驅動20 mA時，一個負載為750 Ω的4 mA至20 mA環(huán)路就要求順從電壓不低于15 V。但在將20 mA驅動至50Ω負載時，則只需要1 V的順從電壓。如果在驅動50 Ω負載時，15 V的順從電壓保持不變，則會浪費20 mA × 14 V = 280 mW的功率。 AD5755-1電路通過檢測輸出電壓，調節(jié)順從電壓，不論負載電阻有多大，只允許少量的裕量電壓，由此消除了這種功率損失。AD5755-1最多可以將24 mA驅動至1 kΩ的負載。 DC-DC轉換器工作原理 AD5755-1內置4個獨立的DC-DC轉換器，用于為各個通道的VBOOST_X電源電壓提供動態(tài)控制(參見圖3)。圖4所示為DC-DC電路所需要的分立元件。 圖4. DC-DC電路 建議在CDCDC之后放置一個10 Ω、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會消耗少量電能，但會減少BOOST_X電源上的紋波。 DC-DC轉換器采用一種恒頻、峰值電流模式控制方案，以將4.5 V至5.5 V的AVCC輸入升壓，從而驅動AD5755-1輸出通道。這些器件設計用于工作在斷續(xù)導通模式(DCM)，占空比小于90%(典型值)。 啟用通道電流輸出時，轉換器將VBOOST_X電源調節(jié)至7.4 V (±5%)或(IOUT_X × RLOAD + 裕量)(取較大值)。在電流輸出模式下，若輸出被禁用，轉換器將把VBOOST_X電源調節(jié)至7.4 V (±5%)。在電壓輸出模式下，若輸出被禁用，轉換器將把VBOOST_X電源調節(jié)至+15 V (±5%)。有關DC-DC轉換器工作情況的詳情，請參見AD5755-1數據手冊。 HART耦合 AD5755-1有四個CHART引腳，分別對應于四個輸出通道。HART信號可以耦合至這些引腳，并出現在對應的電流輸出端(如果該輸出已使能)。表1給出了CHART引腳上的HART信號的推薦輸入電壓。如果使用這些電壓，電流輸出應符合HART幅度要求。圖5所示為將HART信號衰減和耦合至AD5755-1 HART輸入的推薦電路。 圖5. 耦合HART信號 為了確保1.2 kHz和2.2 kHz HART頻率不會在輸出端大幅衰減，C1 + C2必須達到某一最小值。推薦值為：C1 = 22 nF，C2 = 47 nF。為了達到HART的模擬變化速率要求，必須以數字方式控制輸出的壓擺率。 數字壓擺率控制 AD5755-1的壓擺率控制特性允許用戶控制輸出值的變化速率。該特性在電流和電壓輸出通道上均可用。通過禁用壓擺率控制特性，輸出值以受輸出驅動電路和所連負載限制的速率變化。通過壓擺率控制寄存器的SREN位使能壓擺率特性后， 輸出以壓擺率控制寄存器可以訪問的SR_CLOCK和SR_STEP兩個參數所定義的速率，在兩個電平值之間擺動。 在以下等式中，壓擺率為步長、更新時鐘頻率和LSB大小的函數。 其中： Slew Time用秒表示。 Output Change 表示為A(針對IOUT_X)或V(針對VOUT_X)。 瞬態(tài)電壓保護 AD5755-1內置ESD保護二極管，可防止器件在一般工作條件下受損。但是，工業(yè)控制環(huán)境可能會使I/O電路遭受高得多的電壓瞬變。為了防止AD5755-1受到過高的電壓瞬變，需要把一個24 V瞬變電壓抑制器(TVS)置于IOUT/VOUT連接上，如圖6所示。為提供進一步保護，IOUT_X/VOUT_X引腳與VBOOST_x和AVSS電源引腳之間連接有鉗位二極管。另外還使用一個5 kΩ限流電阻，它與+VSENSE_X輸入端串聯， 用以將瞬變事件期間的電流限制在合理范圍內。這種情況下，輸入端具有更高的瞬態(tài)電壓保護功能，因此即使是在要求最苛刻的工業(yè)環(huán)境中，也無需額外的保護電路。AD5700HART調制解調器建議采用包含150 kΩ電阻的外部帶通濾波器，這樣可以將電流限制在足夠低的水平，以滿足內在安全要求。 圖6. 輸出瞬變電壓保護 輸入電源保護 通過一個2線或3線接口，把一個24 V DC穩(wěn)壓電流連接到電路板。該電源必須采取故障和電磁干擾(EMI)保護措施，如圖7所示。 圖7. 輸入電源瞬變電壓保護 VR1、VR2、VR3和VR4為壓敏電阻，F1為正溫度系數電阻。該電路確保評估系統能夠承受電源端口可能產生的任何干擾。 24 V輸入電源驅動ADP1621 PWM升壓控制器。該控制器驅動3抽頭變壓器，后者提供隔離功能并產生AVDD (+15 V)、AVSS (-15 V)和AVCC (+5 V)。通過PS2801-1光耦合器提供反饋。 ADP1621電源輸入電壓范圍為2.9 V至5.5 V，在使用小信號NPN調整管或單個電阻時，也可支持更高的輸入電壓。開關頻率由外部電阻設置，范圍為100 kHz至1.5 MHz。 各種負載條件下的AVDD、AVSS和AVCC供電軌電壓如表2所示。 如果不使用隔離式開關電源電路，J5和J11端子板提供了一種替代方案。如果使用這些端子板，則要移除LK2至LK4。 數字隔離 ADuM3481和ADuM3482為3.75 kV四通道數字隔離器，采用小型20引腳SSOP封裝(7.2 mm × 7.8 mm)。隔離器內核工作電壓范圍為3.0 V至5.5 V，而I/O電源范圍為1.8 V至5.5 V。這些器件可用于直接與1.8 V邏輯器件接口。該設計中的ADuM3481用于為AD5755-1隔離SPI信號，而ADuM3482則用于為AD5700-1HART調制解調器隔離UART信號。雙通道ADuM3210用于隔離ADG759四通道多路復用器的地址線。 常見變化 對于只要求電流輸出的應用，可用AD5757替代AD5755-1。如果需要的分辨率低于16位，則可使用12位的AD5737。 可用AD5700調制解調器取代AD5700-1。但需要一個外部晶振或者CMOS時鐘，因為AD5700并不具備AD5700-1提供的內部振蕩器選項。 電路評估與測試 基本測試設置的框圖如圖8所示。 圖8. 測試設置功能框圖 設備要求 ● EVAL-CN0328-SDPZ評估板 ● CN0328評估軟件 ● EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP-B) ● PC (Windows 32位或64位) ● 24 V電源 ● 精密電壓表，如Agilent 3458A ● 數字測試濾波器，如HCF_TOOL-31(可從HART通信基金會獲得) ● 4個各500 Ω的精密負載電阻 ● 示波器，Tektronix TDS2024B或等效器件 鏈路配置設置 默認鏈路選項如表3所示。默認情況下，評估板配置為通過變壓器隔離電源供電。AD5755-1的默認基準電壓源選項為外部基準電壓源，由ADR02(位置B的LK1)供電。默認情況下不使用LK10和LK24，因為這些鏈路會形成ADG759的旁路。IOUT_x和VOUT_x在默認情況下短接在一起(LK20、LK22、LK23和LK26)。 電源配置 默認情況下，評估板配置為由變壓器隔離電源供電，因而，鏈路LK2至LK5插入。如果端子板用于為電路供電，則必須提供以下電源： ● 為連接器J5上的AVDD/AVSS提供±15 V。該電源同時為AD5755-1和ADR02基準電壓源供電。 ● 提供給連接器J11上的AVCC的4.5 V至5.5 V電源，用于為AD5755-1的AVCC供電。 ● 使用LK5時，EXT_AVCC電源同時為DVDD供電。DVDD用于為AD5755-1的數字電源供電，并為AD5700-1 HART調制解調器、ADG759多路復用器和隔離器件的副邊供電�；蛘呖赏ㄟ^連接至J1的外部電源為DVDD供電(2.7 V至5.5 V)。 軟件安裝 評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)、Vista(32位或64位)，或Windows 7(32位或64位)。如果安裝文件未自動運行，可以運行光盤中的setup.exe文件。 請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB 端口，確保PC能夠正確識別評估系統。 1. 使用附帶的電纜，通過PC的USB端口連接EVAL-SDP-CB1Z。 2. 將EVAL-CN0328-SDPZ評估板連接至連接器A。如果使用連接器B，則EVAL-SDP-CB1Z的UART將無法正常工作。 3. 對J9連接器施加24 V電壓，使EVAL-CN0328-SDPZ上電。 4. 啟動EVAL-CN0328-SDPZ軟件，然后確認出現的所有對話框。這樣就完成了安裝。 軟件 主軟件窗口如圖10所示。開始時用設置選項卡按建議方式設置AD5755-1，先設置DC-DC控制設置，然后設置DAC控制設置，其后把所需代碼加載到數據寄存器中，最后使能輸出(見圖9)。設置選項卡中提供了一個快速設置功能，以便對AD5755-1進行正確的編程。對于HART通信而言，確保支持電流輸出范圍。然后可用主選項卡來發(fā)布HART命令和/或更新AD5755-1輸出代碼。 圖9. 正確使能輸出的編程序列 圖10. 評估軟件設置選項卡 圖11. 評估軟件主選項卡 靜默期間的輸出噪聲測試 當HART器件沒有進行傳輸(靜默)時，不應將HART擴展頻帶中噪聲耦合到網絡上。噪聲過高可能會干擾設備本身或網絡上其它設備對HART信號的接收。 對于在500 Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的HART擴展頻帶中的寬帶噪聲和相關噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外，該頻帶外的噪聲不應超過138 mV rms。 此噪聲通過在500 Ω負載上連接HCF_TOOL-31濾波器(可從HART通信基金會獲得)并將濾波器輸出連接到真均方根測量儀來測量。用示波器來檢查輸出波形。 與前面的線性度測試類似，該測試也是同時使用線性和隔離開關電源進行的。用線性電源獲得的噪聲結果遠遠低于通過隔離開關電源取得的結果，但兩種結果均在必要的HART額定值之內。 圖16. HCF_TOOL-31輸入端靜默波形下的輸出噪聲 模擬變化率 此規(guī)范可確保當設備調節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號。最差情況下的模擬輸出電流變化一定不能產生高于15 mV峰值電壓的干擾，此數值在HART擴展頻帶下，通過對500 Ω負載進行測量得到。符合這一要求可確保模擬信號的最大帶寬處于規(guī)定的直流至25 Hz頻帶中。 對于該測試，HCF_TOOL-31再次連接500 Ω負載，就如靜默期間噪聲測試中一樣；同時將一個示波器連接至其輸出端。這次，不是將AD5755-1輸出設為一個固定的輸出電流，而是將AD5755-1編程為輸出周期波形，從4 mA切換至20 mA。為了達到要求的系統規(guī)格，通過AD5755-1的數字壓擺率控制功能對輸出電流變化幅度進行限制。該功能詳見AD5755-1數據手冊的“數字壓擺率控制”部分。在該測試中，SR_CLOCK和SR_STEP分別設為64 kHz和16 LSB，得到64 ms的壓擺時間，結果如圖17所示。通道1顯示AD5755-1 IOUT_A在4 mA至20 mA范圍內的信號階躍，這是在500 Ω負載下檢測的，并且連接到帶通濾波器的輸入端。濾波器的輸出(增益系數為10)可在通道2上看到。峰值在前面提到的150 mV峰值限值之內。 OUT_A)"> 圖17. 模擬變化率波形(IOUT_A) |
