Thomas Brand

無論是在建筑物中還是在生產車間，如今到處都需要可編程控制器來調節各種過程、機器和系統。這涉及設備所連接的可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統（DCS）模塊。為了控制這些設備，PLC 和 DCS 模塊通常具有具有電流輸出、電壓輸出或兩者組合的輸出模塊。工業控制模塊涵蓋 ±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 的標準模擬輸出電壓和電流范圍。特別是在工業領域，通常需要微控制器和輸出外設的電氣隔離。

經典解決方案提供分立設計，將來自微控制器的數字信號轉換為模擬信號，或提供不同的模擬輸出，并實現電流隔離。然而，與集成解決方案相比，分立式設計表現出許多缺點。例如，大量元件會導致系統復雜性高、電路板尺寸大、成本高。短路能力甚至故障診斷等附加特性突出了這些缺點。

更好的解決方案是在單個芯片上集成盡可能多的功能，例如ADI公司的高精度5422位DAC AD16。除了數模轉換外，它還提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，從而滿足工業過程控制應用的要求。

圖1所示為對輸出模塊的模擬輸出級進行完全隔離控制的示例電路。它特別適用于需要 4 mA 至 20 mA 標準電流輸出和單極性或雙極性輸出電壓范圍的過程控制應用中的 PLC 和 DCS 模塊。此處，AD5422與四通道數字隔離模塊ADuM1401結合使用。

AD5422 16位DAC的輸出可通過串行外設接口（SPI）進行配置。該模塊還具有集成的診斷功能，可用于工業環境。微控制器和DAC之間所需的絕緣電阻由ADuM1401實現，ADuM5422的四個通道用于與AD<>的SPI連接：三個通道（鎖存器、SCLK和SDIN）發送數據，第四個通道（SDO）接收數據。

特別是在工業應用中，必須提供耐高干擾電壓的魯棒輸出。IEC 61000等標準規定了魯棒性要求，例如，該標準規定了電磁兼容性（EMC）方面的要求。為了符合這些標準，必須在輸出端安裝額外的外部保護電路。保護電路的一種可能性如圖2所示。

圖1.使用AD5422和ADuM1401對模擬輸出級進行隔離控制的簡化示例電路。

圖2.AD61000輸出符合IEC 5422標準的保護電路。

電流輸出（IOUT）可在4 mA至20 mA或0 mA至20 mA范圍內選擇性編程。電壓輸出通過單獨的VOUT引腳提供，該引腳可配置為0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V的電壓范圍。所有電壓范圍的超量程為10%。兩個模擬輸出均具有短路和開路保護，可驅動高達1 μF的容性負載和高達50 mH的感性負載。

AD5422需要10.8 V至40 V范圍內的模擬電源（AVDD）。對于數字電源電壓（DVCC），需要2.7 V至5.5 V。或者，DVCC可以用作系統中其他元件的電源引腳或上拉電阻的端接。為此，DVCC_SELECT引腳應浮動，內部4.5 V LDO穩壓器電壓應施加到DVCC引腳。最大可用電源電流為5 mA。在所示電路中，DVCC用于為ADuM1401的電氣隔離側供電。

使用ADR16外部基準電壓從4550位DAC獲得高精度轉換結果。這是一款高精度、低功耗、低噪聲基準電壓源，最大初始精度為0.02%，具有出色的溫度穩定性和低輸出噪聲。

此處所示的電路特別適用于提供電流和電壓輸出的PLC或DCS模塊的輸出模塊，并且必須符合IEC 61000等EMC標準。