CN0382 AD7124-4具有一個(gè)高性能且非常靈活的模擬前端，提供4個(gè)差分或7個(gè)偽差分模擬輸入引腳，以及供基準(zhǔn)電壓源和低端功率開關(guān)使用的額外引腳。它允許與多個(gè)各類模擬傳感器直接接口，比如任意的阻性橋式傳感器、電阻式溫度傳感器或熱電偶。由于可用于幾乎所有的傳感器現(xiàn)場儀表，這款現(xiàn)場儀表解決方案并不局限于本電路筆記所述的傳感器類型。 AD7124-8可以代替AD7124-4。AD7124-4和AD7124-8具有 相同的性能。不過，AD7124-8提供8個(gè)差分輸入或15個(gè)偽 差分輸入，因而適合需要高通道數(shù)的應(yīng)用。 AD5421 可通過保護(hù)電路直接與環(huán)路相連。也可在AD5421和環(huán)路電源之間連接一個(gè)耗盡型N溝槽MOSFET，如圖8所示。由于在本配置中使用額外MOSFET，因此可將AD5421上的電壓降保持在12 V左右，降低AD5421封裝的功耗，并增加4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還可將環(huán)路允許的最大電壓提升至MOSFET的額定電平值。額外的MOSFET對(duì)HART通信無影響。 圖8. MOSEFT連接至AD5421環(huán)路電源 本電路中，AD5700與3.6864 MHz晶振共同使用，形成具有 最低功耗的配置。作為替代方案，AD5700-1可配合0.5%精 度的集成式內(nèi)部振蕩器使用。與晶體振蕩器相比，內(nèi)部振蕩器最多可提升225 A調(diào)制解調(diào)器電源電流，但因?yàn)闊o需使用外部晶體，因此該方案同時(shí)節(jié)省了成本，降低了所需的電路板面積。 對(duì)于非環(huán)路供電的應(yīng)用，AD5410, AD5420, AD5422, 或AD5755是很好的4 mA至20 mA DAC選擇。 最后，有很多隔離器產(chǎn)品可以代替ADuM1441 : ADuM1440, ADuM1442, ADuM1445, ADuM1446, ADuM1447, ADuM1240, ADuM1241, ADuM1245, 和ADuM1246. 電路硬件 圖1中的電路基于圖9中的DEMO-AD7124-DZ 印刷電路板(PCB)構(gòu)建。 圖9. DEMO-AD7124-DZ印刷電路板 DEMO-AD7124-DZ電路板具有一些額外的特性，方便進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。RTD、熱電偶或壓力傳感器可以通過8引腳連接器J5連接。針對(duì)HART RTS和CD有測試點(diǎn)。通過4引腳連接器可將代碼下載到微控制器。 The CN-0382設(shè)計(jì)支持包 還包括完整的用于3線/4線Pt100/Pt1000RTD、熱電偶和電壓/電流激勵(lì)壓力傳感器的現(xiàn)場儀表C語言代碼示例，可用來對(duì)全部硬件模塊和電路特性進(jìn)行完整的驗(yàn)證與評(píng)估，并對(duì)HART接口的功能性提供一定程度的驗(yàn)證。有關(guān)HART接口規(guī)范和資源的詳細(xì)信息，請(qǐng)聯(lián)系HART通信基金會(huì)。 電路功耗 為了方便在線測量，本電路有多個(gè)測試點(diǎn)可測量電流。AD5421的REGOUT引腳和DVDD引腳在其路徑中包括一個(gè)10 電阻。ADP162的輸出在其路徑中也有一個(gè)類似的10 電阻。10 電阻的每一端都有測試點(diǎn)。利用這種設(shè)置可以測量各電阻上的壓降并計(jì)算電流，而無中斷電源電流或干擾電路。 電路配置如下： 微控制器內(nèi)核時(shí)鐘 = 1 MHz AD7124-4和模擬電路工作在與傳感器類型相適應(yīng)的模 式下 AD5421以10 SPS的速率工作并更新環(huán)路輸出電流 HART通信，周期性響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求以讀取所有器件變量 表1. 電路功耗 模式 AD5421內(nèi)部(mA) DVDD 3.3 V (mA) REGOUT 9.0 V (mA) 環(huán)路總 電流(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給出了各模塊的電源電流：這些器件的電流之和便是電路本身(未添加其它電流器件以構(gòu)成4 mA至20 mA輸出)從環(huán)路消耗的總電流。AD5421本身(估計(jì)值，將AD5421放入最低環(huán)路電流中驗(yàn)證)、從DVDD 3.3 V供電的電路(微控制器、HART調(diào)制解調(diào)器和SPI隔離的原邊)以及隔離電源的9 V原邊。隔離3.3 V欄是隔離3.3 V電源消耗的電流，其為傳感器、AD7124-4和SPI的副邊供電。 電路及所有相關(guān)模擬和數(shù)字模塊(包括輸入傳感器)的功耗在最小4 mA環(huán)路輸出電流的許可預(yù)算之內(nèi)。 傳感器輸入性能 4-線 RTD 圖10顯示了系統(tǒng)連接一個(gè)4線RTD時(shí)的性能。使用B級(jí)Pt100傳感器。AD7124-4配置如下： 功率模式：中功率模式 濾波器：后置濾波器，25 SPS 激勵(lì)電流：AIN6上使能，設(shè)置為250 μA 增益 = 16 極性：單極性 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能 RTD連接到AIN4/AIN5通道 基準(zhǔn)電壓源：REFIN1，5.6 k基準(zhǔn)電阻連接在REFIN1引 腳上 AD7124-4內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)在上電時(shí)執(zhí)行 圖10. 4線RTD測量 從ADC讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果在微控制器內(nèi)線性化。作用于Pt100傳感器的溫度從0°C變化到100°C，而電路板保持25°C溫度。圖10顯示了演示系統(tǒng)的精度。演示系統(tǒng)的測量精度在B級(jí)Pt100傳感器的額定精度內(nèi)。 3線 RTD 圖11顯示了系統(tǒng)連接一個(gè)3線RTD時(shí)的性能。使用B級(jí)Pt100傳感器。AD7124-4配置如下： 功率模式：中功率模式 濾波器：后置濾波器，25 SPS 激勵(lì)電流IOUT0：AIN6上使能，設(shè)置為250 μA 激勵(lì)電流IOUT0：AIN7上使能，設(shè)置為250 μA 增益 = 16 極性：單極性 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能 RTD連接到AIN4/AIN5通道 基準(zhǔn)電壓源：REFIN1，5.6 k基準(zhǔn)電阻連接在REFIN1引 腳上 AD7124-4內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)在上電時(shí)執(zhí)行 圖11. 3線RTD測量 作用于Pt100傳感器的溫度從0°C變化到100°C，而電路板保持25°C溫度。從ADC讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果在微控制器內(nèi)線性化。施加溫度與電路板實(shí)測溫度之間的誤差如圖所示。在溫度掃描之前，在25°C時(shí)進(jìn)行內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)。校準(zhǔn)之后，3線Pt100完全位于B級(jí)Pt100允許的包絡(luò)以內(nèi)。圖11顯示了演示系統(tǒng)的精度。演示系統(tǒng)的測量精度在B級(jí)Pt100傳感器的額定精度內(nèi)。 熱電偶 圖12顯示了系統(tǒng)連接一個(gè)T型熱電偶時(shí)的性能。AD7124-4配置如下： 功率模式：中功率模式 熱電偶配置 增益 = 128 通道：AIN4/AIN5 使能內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源 濾波器：后置濾波器，25 SPS 極性：雙極性 AD7124-4內(nèi)部失調(diào)和滿量程校準(zhǔn)在上電時(shí)執(zhí)行 冷結(jié)配置 增益 = 1 濾波器：快速建立Sinc3，44.44 SPS 通道：AIN2/AIN3 選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源 模擬輸入緩沖器使能 極性：單極性 AD7124-4的滿量程誤差經(jīng)過工廠校準(zhǔn)(增益為1時(shí))，因而無需再執(zhí)行校準(zhǔn)。 圖12. T型熱電偶測量(冷結(jié)為環(huán)境溫度) 在圖12中，冷結(jié)保持在25°C，熱電偶從0°C掃描到100°C。從ADC讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果在微控制器內(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))。熱敏電阻也會(huì)增加一些誤差。電路中使用的熱敏電阻精度為1%或1°C(以較大者為準(zhǔn))。圖12顯示了施加溫度與實(shí)測溫度之間的差異。結(jié)果完全在熱電偶/熱敏電阻組合的規(guī)格以內(nèi)。 重復(fù)進(jìn)行測量，熱電偶保持在25°C，冷結(jié)從0°C掃描到80°C(參見圖13)。系統(tǒng)總精度為1.75°C，使用更精確的冷結(jié)(如Pt100傳感器)可以提高精度。 圖13. T型熱電偶測量(冷結(jié)掃描，熱電偶保持環(huán)境溫度) 壓力 連接壓力傳感器后，執(zhí)行噪聲測試。噪聲電平是模擬前端與板上其余電路交互所能影響的主要因素。因此，測試主要針對(duì)噪聲以及相關(guān)的系統(tǒng)分辨率性能進(jìn)行。 該演示配置為通過HART通信發(fā)送表示壓力的數(shù)據(jù)，單位為kPa。捕獲100個(gè)樣本，完成基本數(shù)據(jù)分析以便量化性能。第一項(xiàng)測試是在連接標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器(Honeywell24PCDFA6D)的情況下進(jìn)行。第二項(xiàng)測試是在由短路輸入產(chǎn)生輸入信號(hào)的情況下進(jìn)行。 執(zhí)行測試時(shí)，傳感器用一個(gè)電流源和一個(gè)電壓激勵(lì)。在電壓模式下，AD7124-4配置如下： 功率模式：中功率模式 濾波器：后置濾波器，25 SPS 增益 = 16 極性：雙極性 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能 傳感器連接到AIN4/AIN5通道 基準(zhǔn)電壓源：REFIN2，基準(zhǔn)電壓由壓力傳感器的檢測 電阻提供 在電流激勵(lì)模式下，AD7124-4配置如下： 功率模式：中功率模式 濾波器：后置濾波器，25 SPS 激勵(lì)電流：AIN6上的兩個(gè)激勵(lì)電流均使能并設(shè)置為100 μA，得到總計(jì)200 μA電流 增益 = 16 極性：雙極性 基準(zhǔn)電壓緩沖器使能 傳感器連接到AIN4/AIN5通道 基準(zhǔn)電壓源：REFIN1，5.6 k基準(zhǔn)電阻連接在REFIN1引腳上 性能總結(jié)見表2，圖14至圖17顯示信號(hào)曲線圖。 表2. 壓力傳感器：噪聲和分辨率 參數(shù) 電壓模式 電流模式 單位 壓力傳感器 輸入短路 壓力傳感器 輸入短路 滿量程 391.47 391.47 438.45 438.45 kPa 均方根噪聲 0.66 0.61 1.76 1.69 Pa 峰峰值噪聲 3.5 3.2 11.1 9.8 Pa 有效(RMS) 分辨率 19.2 19.3 17.9 18 Bits 無噪聲(峰峰值)分辨率 16.8 16.9 15.3 15.4 Bits 圖14. 電壓模式—壓力傳感器輸入波形 圖15. 電壓模式—輸入短路波形 圖16. 電流模式—壓力傳感器輸入波形 圖17. 電流模式—輸入短路波形 模擬前端接口 AD7124-4是一款適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端。該器件內(nèi)置一個(gè)低噪聲24位-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可配置來提供4個(gè)差分輸入或7個(gè)單端或偽差分輸入。片內(nèi)低噪聲增益級(jí)確保ADC中可直接輸入小信號(hào)。 AD7124-4的主要優(yōu)勢(shì)之一是用戶可靈活使用三種集成功率模式。功耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可通過所選功率模式進(jìn)行定制。該器件還提供多個(gè)濾波器選項(xiàng)，確保為用戶帶來最大的靈活性。 當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為25 SPS(單周期建立)時(shí)，AD7124-4可實(shí)現(xiàn)50 Hz和60 Hz同時(shí)抑制。 AD7124-4提供最高的信號(hào)鏈集成度。該器件內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可采用內(nèi)部緩沖的外部差分基準(zhǔn)電壓。其它主要集成特性包括可編程低漂移激勵(lì)電流源、開路測試(burnout)電流和偏置電壓產(chǎn)生器，利用偏置電壓產(chǎn)生器可將某一通道的共模電壓設(shè)置為AVDD/2。低端功率開關(guān)允許用戶在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷橋式傳感器，從而保證系統(tǒng)具有絕對(duì)最小功耗。該器件還允許用戶采用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘工作。 內(nèi)置通道序列器可以同時(shí)使能多個(gè)通道，AD7124-4按順序在各使能通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換，簡化了與器件的通信。多達(dá)16個(gè)通道可隨時(shí)使能，這些通道具有模擬輸入或診斷功能(比如電源檢查或基準(zhǔn)電壓源檢查)。這一獨(dú)特的特性允許診斷和轉(zhuǎn)換交替進(jìn)行。該器件支持8種配置或設(shè)置。AD7124-4還支持各通道獨(dú)立配置。每種配置包括增益、濾波器類型、輸出數(shù)據(jù)速率、緩沖和基準(zhǔn)電壓源。用戶可在各通道上分配任何設(shè)置。 AD7124-4還集成了豐富的診斷功能，作為全面特性組合的一部分。這些診斷功能包括循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)、信號(hào)鏈檢查和串行接口檢查，從而提供更強(qiáng)大的解決方案。這些診斷功能可減少執(zhí)行診斷功能所需的外部元件，從而減少對(duì)電路板空間的需求，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并節(jié)省成本。根據(jù)IEC 61508，典型應(yīng)用的失效模式影響和診斷分析(FMEDA)表明安全失效比例(SFF)大于90%。 傳感器輸入 該電路通過8引腳連接器支持3線/4線RTD、熱電偶和壓力傳感器。AD7124-4具有與這些傳感器接口所需的全部構(gòu)建模塊。對(duì)于連接的所有類型傳感器，ADC以中功耗模式工作。使用后置濾波器的原因是當(dāng)以25 SPS速率轉(zhuǎn)換時(shí)，它能實(shí)現(xiàn)50 Hz和60 Hz同時(shí)抑制。將一個(gè)傳感器連接到該電路時(shí)，ADC按照所連傳感器類型進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲谩＿€可以執(zhí)行內(nèi)部滿量程和失調(diào)校準(zhǔn)，以使失調(diào)誤差和滿量程誤差最?。恍?zhǔn)由UART或HART命令啟動(dòng)。 AD7124-4具有多種片內(nèi)診斷功能，可確保設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠。在該電路中，開路故障檢測確保傳感器已連接；通過監(jiān)視狀態(tài)寄存器中的上電復(fù)位(POR)狀態(tài)，可在發(fā)生上電復(fù)位時(shí)告知用戶。每次轉(zhuǎn)換都要讀取錯(cuò)誤寄存器，其內(nèi)容隨同傳感器結(jié)果通過HART發(fā)送。 RTD 阻性溫度檢測器(RTD)的測量范圍是−200°C至+600°C。典型RTD為由鉑制成的Pt100和Pt1000。本電路使用Pt100。 4-線 RTD 圖2顯示了一個(gè)4線Pt100 RTD如何連接到本電路。 圖2. 4線RTD AD7124-4的一個(gè)片內(nèi)激勵(lì)電流激勵(lì)Pt100。Pt100的最大電阻值為313.71 (600°C時(shí))。若激勵(lì)電流設(shè)置為250 μA，則Pt100上產(chǎn)生的最大電壓為： 可編程增益陣列(PGA)設(shè)置為16倍增益，故調(diào)制器輸入端看到的最大電壓為： 5.6 k精密電阻(0.05%、10 ppm/°C)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。所選基準(zhǔn)電阻RREF的值應(yīng)使得其上產(chǎn)生的電壓最小值為1.25 V，也就是說，模擬輸入引起的調(diào)制器輸入端電壓小于或等于基準(zhǔn)電壓。為Pt100供電的250 μA電流同樣流過5.6 k電阻，得到一個(gè)比率式配置。因此，激勵(lì)電流的任何變化對(duì)電路性能無影響。精密電阻上產(chǎn)生的電壓為： 模擬輸入端和基準(zhǔn)輸入端上有抗混疊濾波器。這些濾波器防止任何頻率為調(diào)制器采樣頻率倍數(shù)的干擾混疊到目標(biāo)頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不引起增益誤差，須使能基準(zhǔn)電壓緩沖器。模擬輸入緩沖器會(huì)自動(dòng)使能，因?yàn)槭褂肞GA就會(huì)使能這些緩沖器?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器需要一些裕量(電源軌的100 mV以內(nèi))。因此，低端上有一個(gè)470 電阻以提供此裕量。 250 μA激勵(lì)電流需要370 mV的裕量。此引腳看到的電壓為(470 + 5600 + 313.71) × 250 μA = 1.6 V，這是可以接受的。 AIN4和AIN5引腳用作AINP和AINM模擬輸入。 連接器引腳上的1 k電阻有兩個(gè)作用：一是構(gòu)成抗混疊濾波器，二是在發(fā)生過壓時(shí)(例如因?yàn)榻泳€錯(cuò)誤)保護(hù)模擬輸入。 電路筆記 CN-0381更詳細(xì)地說明了4線Pt100傳感器與AD7124-4的接口以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的線性化或后處理。 圖1所示電路還支持4線Pt1000 RTD。電路連接與Pt100相同。ADC配置如本部分前面所述，不過PGA增益設(shè)置為1。 3-線 RTD 圖3顯示了一個(gè)3線Pt100 RTD如何連接到本電路。 圖3. 3-線 RTD AD7124-4有兩個(gè)匹配的激勵(lì)電流。二者均要配合3線RTD使用，以便能夠執(zhí)行引線補(bǔ)償。Pt100的最大電阻值為313.71 (600 °C時(shí))，因此激勵(lì)電流設(shè)置為250 μA。基準(zhǔn)電阻RREF連接在上方。故而，一個(gè)250 μA激勵(lì)電流(IOUT0)通過引腳AIN6輸出，經(jīng)過5.6 k精密基準(zhǔn)電阻(0.05%、10ppm/°C)，然后流過Pt100。另一個(gè)250 μA電流(IOUT1)通過引腳AIN7輸出。此電流因?yàn)橐_電阻而產(chǎn)生一個(gè)電壓，其與AIN6上電流產(chǎn)生的引腳電阻電壓相反。因此，引腳電阻引起的誤差被降至最小。 5.6 k基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓為 Pt100上產(chǎn)生的最大電壓為 PGA設(shè)置為16倍增益，故AD7124-4的調(diào)制器看到的電壓為 此電壓小于基準(zhǔn)電壓，故在范圍內(nèi)。 模擬輸入端和基準(zhǔn)輸入端上有抗混疊濾波器。這些濾波器防止任何頻率為調(diào)制器采樣頻率倍數(shù)的干擾混疊到目標(biāo)頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不引起增益誤差，須使能基準(zhǔn)電壓緩沖器。模擬輸入緩沖器會(huì)自動(dòng)使能，因?yàn)槭褂肞GA就會(huì)使能這些緩沖器?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器需要一些裕量(電源軌的100 mV以內(nèi))。因此，低端上有一個(gè)470 電阻以提供此裕量。 250 μA激勵(lì)電流需要370 mV的裕量。此引腳看到的電壓為(470 × 2 × 250 μA) + (5600 + 313.71) × 250 μA = 1.713 V，這是可以接受的。 電路筆記CN-0383更詳細(xì)地說明了3線Pt100傳感器與AD7124-4的接口以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的線性化或后處理。 圖1所示電路還支持3線Pt1000 RTD。電路連接與Pt100相同。ADC配置如本部分前面所述，不過PGA增益設(shè)置為1。 熱電偶 圖4顯示了一個(gè)熱電偶如何連接到本電路。 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)生的電壓與溫度具有相關(guān)性。例如，當(dāng)溫度發(fā)生1°C變化時(shí)，T型熱電偶產(chǎn)生典型值為40 μV的電壓。 必須將熱電偶電壓偏置到一個(gè)電壓。AD7124-4內(nèi)置一個(gè)VBIAS源，其將熱電偶偏置到(AVDD − AVSS)/2。該偏置電壓在AIN6通道上使能并作用于熱電偶，如圖4所示。也可以在模擬輸入的AINM引腳上使能偏置電壓。但在這種情況下，必須限制外部R和C的值，因?yàn)锳INM上看到的偏置電壓與AINP上看到的濾波版本有很大差別，足以影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。熱電偶測量是絕對(duì)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。這種熱電偶的溫度測量范圍是−200°C至+400°C，因而其產(chǎn)生的電壓范圍是−8 mV至+16 mV。PGA設(shè)置為128。 熱電偶測量是絕對(duì)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。這種熱電偶的溫度測量范圍是−200°C至+400°C，因而其產(chǎn)生的電壓范圍是−8 mV至+16 mV。PGA設(shè)置為128。 冷結(jié)補(bǔ)償使用NTC熱敏電阻(10 k、1%、3435 K)。 圖5. 熱敏電阻 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為熱敏電阻供電，增益設(shè)置為1。熱敏電阻低端使用一個(gè)電阻RREF。這是一個(gè)5.6 k精密電阻(0.05%、10 ppm/°C)。熱敏電阻上的電壓VNIC為 其中： VREF為基準(zhǔn)電壓。 ADCCODE為從AD7124-4讀取的代碼。 224為ADC輸出的最大代碼。 熱敏電阻RNTC的阻值為 其中： RREF = 5.6 kΩ. VREF為基準(zhǔn)電壓。 合并以上兩個(gè)方程式可得： 其中： ADCCODE為從AD7124-4讀取的代碼。 RREF = 5.6 kΩ. FSCODE為AD7124-4輸出的滿量程代碼(224)。 然后在微控制器中利用基于熱敏電阻方程的查找表，將阻值轉(zhuǎn)換為溫度： 其中： T為熱敏電阻記錄的溫度(K)。 R0 = 10 kΩ. β = 3435 K. T0 = 298.15 K. 用攝氏度°C表示的溫度為T − 273.15。 5.6 k電阻還為模擬輸入提供裕量，因?yàn)槭鼓芰四M輸入緩沖器，其需要100 mV的裕量。發(fā)生接線錯(cuò)誤時(shí)，此電阻還能限制電流，從而保護(hù)電路。 電路筆記CN-0384 更詳細(xì)地說明了熱電偶傳感器與 AD7124-4的接口以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的線性化或后處理。 壓力傳感器 圖6所示為連接一個(gè)電壓激勵(lì)的壓力傳感器，圖7所示為連接一個(gè)電流激勵(lì)的壓力傳感器。使用Honeywell壓力傳感器(Honeywell S&C 24PCDFA6D)。 圖6. 電壓激勵(lì)壓力傳感器 圖7. 電流激勵(lì)壓力傳感器 對(duì)于電壓激勵(lì)架構(gòu)，AVDD (3.3 V)激勵(lì)傳感器。如果利用AVDD激勵(lì)稱重傳感器，激勵(lì)電壓可直接用作ADC基準(zhǔn)電壓。請(qǐng)注意，傳感器高端和低端上增加了一個(gè)電阻，用以確保滿足AD7124-4緩沖器的裕量要求。使用16倍增益。 對(duì)于電流激勵(lì)模式，AD7124-4的兩個(gè)100 μA激勵(lì)電流均被導(dǎo)向引腳AIN6，從而為傳感器提供200 μA激勵(lì)電流。增益同樣設(shè)置為16。5.6 k精密電阻產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。這種安排得到一個(gè)比率式配置，激勵(lì)電流值的波動(dòng)不會(huì)影響系統(tǒng)精度。 此電路板提供了相關(guān)選項(xiàng)，允許將傳感器低端連接到GND或AD7124-4的功率開關(guān)。 如上所述，模擬輸入端和基準(zhǔn)電壓源入端具有抗混疊濾波器，可抑制任何頻率為ADC采樣頻率倍數(shù)的干擾。發(fā)生過壓時(shí)，串聯(lián)電阻還會(huì)限制電流。 主傳感器仿真 本電路包括一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)和電位計(jì)，支持傳感器仿真(主傳感器仿真電路如圖1所示)。利用電位計(jì)，AIN0 (AINP)與AIN1 (AINM)之間施加的電壓可以在大約−0.09 V到+1.36 V的范圍內(nèi)改變。此電路利用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源來支持轉(zhuǎn)換，AD7124-4增益設(shè)置為1，使能模擬輸入緩沖器。利用這種配置，用戶可以評(píng)估電路而無需外接傳感器。 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(jì)支持包中)中)可進(jìn)行初始化和 配置、處理來自模擬輸入的數(shù)據(jù)、控制模擬輸出，并進(jìn)行HART通信。提到的所有傳感器都需要線性化或補(bǔ)償。此線性化在軟件中執(zhí)行。有關(guān)RTD和熱電偶傳感器的更多信息以及所需的線性化，請(qǐng)參電路筆記CN-0381、 電路筆記CN-0383,和電路筆記CN-0384。 模擬輸出 AD5421集成16位低功耗精密DAC，該DAC帶4 mA至20 mA環(huán)路供電輸出驅(qū)動(dòng)器，可提供現(xiàn)場儀表模擬輸出所需的全部功能。 AD5421通過SPI接口與微控制器對(duì)接。 AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關(guān)的診斷功能。輔助ADC可通過連接至VLOOP引腳上的20 M/1 M電阻分壓器測量儀表環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過集成式傳感器測量芯片溫度。微控制器可配置并讀取AD5421的全部診斷數(shù)據(jù)，但AD5421也可采用自主工作方式。 例如，若控制器和AD5421之間的通信發(fā)生故障，AD5421將在一段時(shí)間后自動(dòng)設(shè)置其模擬輸出為3.2 mA報(bào)警電流。此報(bào)警電流將現(xiàn)場儀表工作故障這一情況匯報(bào)給主機(jī)。 輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對(duì)HART通信產(chǎn)生干擾。 HART通信 AD5700集成完整的HART FSK調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器通過標(biāo)準(zhǔn)UART接口，伴隨請(qǐng)求發(fā)送(RTS)和載波檢測(CD)信號(hào)實(shí)現(xiàn)與微控制器的連接。 HART輸出通過0.068 F/0.22 F容性分壓器調(diào)整至所需幅度，并耦合至AD5421 CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅(qū)動(dòng)和調(diào)制輸出電流。 HART輸入通過一個(gè)簡單的無源RC濾波器，從LOOP+端耦合至AD5700的ADC_IP引腳。RC濾波器作為第一級(jí)，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力——這對(duì)于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用而言非常重要。 AD5700低功耗振蕩器采用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連的3.6864 MHz外部晶振，產(chǎn)生HART調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘。 輸出保護(hù) 瞬變電壓抑制器(TVS)保護(hù)4 mA至20 mA HART接口免受過壓影響。選擇合適的TVS額定電壓，防止REGIN引腳上的電壓超過AD5421的60 V絕對(duì)最大電壓。請(qǐng)注意，TVS漏電流可能會(huì)影響電流輸出精度；因此，選用此器件時(shí)，需關(guān)注一定環(huán)路電壓和溫度范圍下的漏電流。 可使用外部耗盡型FET與AD5421搭配工作，提高環(huán)路電壓最大值。 本電路具有保護(hù)功能，通過與環(huán)路輸出相串聯(lián)的一對(duì)二極管保護(hù)電路免受極性反轉(zhuǎn)的影響。 鐵氧體磁珠與環(huán)路串聯(lián)，該串聯(lián)部分與4700 pF電容一同提升系統(tǒng)的EMC性能。由于HART網(wǎng)絡(luò)的規(guī)格限制，請(qǐng)勿在環(huán)路端點(diǎn)處使用更高數(shù)值的電容。 4.7 V低泄露齊納二極管保護(hù)AD5421的片內(nèi)50 環(huán)路檢測電阻免受AD5421的COM引腳和LOOP−引腳間意外的外部電壓影響(例如當(dāng)調(diào)試電路時(shí))。 電源和電源管理 包括傳感器驅(qū)動(dòng)電流在內(nèi)的完整現(xiàn)場儀表電路必須工作在4 mA至20 mA環(huán)路提供的限量電源下。這對(duì)所有環(huán)路供電現(xiàn)場儀器設(shè)計(jì)而言，都是一個(gè)普遍的難題。圖1中的電路提供了低功耗以及高性能解決方案的一個(gè)實(shí)例。應(yīng)用中用到的全部集成電路均針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)，并且電路依靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結(jié)構(gòu)和性能最優(yōu)的環(huán)路供電解決方案。 AD5421采用4 mA至20 mA環(huán)路電壓供電，為電路的其余部分提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的低電壓。AD5421的REGOUT電壓可通過引腳在1.8 V至12 V范圍內(nèi)編程，具體電壓值取決于電路要求。圖1所示電路采用9 V電源電壓選項(xiàng)。傳感器端利用簡單的推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器與4-20 mA環(huán)路隔離。ADG5433由微控制器提供時(shí)鐘，并產(chǎn)生9 V非重疊方波，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)變壓器。變壓器的工作電壓比為2:1。副邊上的4.5 V電壓由ADP162整流和調(diào)節(jié)，產(chǎn)生AD7124-4所用的低噪聲3.3 V電源。AD7124-4的3.3 V模擬和數(shù)字電源均由ADP162穩(wěn)壓器提供，但有一個(gè)濾波器(L1/R19)，防止數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲進(jìn)入模擬部分。 AD5421在環(huán)路側(cè)提供3.3 V邏輯電源。此電源直接由微控制器和AD5700使用。 REGOUT RC濾波器(10 F/10 /10 F)有助于防止模擬電路受到來自環(huán)路的任何干擾的影響。它還能防止電路產(chǎn)生的任何干擾(尤其是控制器和數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾)回流耦合至環(huán)路，這對(duì)于可靠的HART通信而言非常重要。 AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器通過一個(gè)額外的RC濾波器供電(470 /1 F)。該濾波器在環(huán)路供電應(yīng)用中的作用非常重要，因?yàn)樗煞乐笰D5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環(huán)路輸出進(jìn)行耦合；若非如此，將影響HART通信。AD5700調(diào)制解調(diào)器使用外部晶振，通過將XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地，這是功耗最低的選項(xiàng)。 AD7124-4的主要優(yōu)勢(shì)之一是用戶可靈活使用三種集成功率模式。功耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可通過所選功率模式進(jìn)行定制。因此，對(duì)于4 mA至20 mA或便攜式設(shè)備，低功耗或中功耗模式是最佳選擇。針對(duì)功耗不是問題的過程控制系統(tǒng)，可使用全功率模式，以便降低噪聲。對(duì)于此環(huán)路供電電路，使用中功耗模式。有關(guān)功率模式的更多信息，參見AD7124-4數(shù)據(jù)手冊(cè)。 連接壓力傳感器時(shí)，AD7124-4的PSW接地開關(guān)引腳控制激勵(lì)和電源。儀表上電時(shí)，開關(guān)默認(rèn)為斷開。這一默認(rèn)設(shè)定允許在開啟傳感器之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面配置，包括適當(dāng)?shù)碾娫茨Ｊ?，從而最大程度降? mA至20 mA環(huán)路輸出上可能存在的任何上電尖峰。 連接RTD傳感器時(shí)，它由AD7124-4的可編程電流源供電，因此可通過軟件全面控制其電源輸入。類似地，對(duì)于熱電偶傳感器，偏置電壓和絕對(duì)基準(zhǔn)電壓均嵌入AD7124-4中，因而可由軟件控制。 軟件 微控制器通過SPI接口與AD7124-4和AD5421對(duì)接，通過UART接口UART0與AD5700通信。軟件通過微控制器上的另一個(gè)UART接口UART1下載到微控制器。 啟動(dòng)時(shí)，微控制器配置所有三個(gè)器件，AD7124-4針對(duì)T型熱電偶進(jìn)行配置。AD7124-4工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。因此，其DOUT/RDY 引腳也連接到微控制器上的中斷引腳。每次ADC提供轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，就會(huì)在微控制器中產(chǎn)生一個(gè)中斷，通知其可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后，微控制器線性化并處理數(shù)據(jù)。結(jié)果送至AD5421 DAC以通過4 mA至20 mA環(huán)路傳輸。該軟件支持本電路筆記提到的所有傳感器類型。CN-0382設(shè)計(jì)支持包中包含用于演示本電路功能和性能的軟件。關(guān)于如何修改軟件以適應(yīng)不同傳感器類型的文檔，以及關(guān)于下載軟件到微控制器的詳細(xì)信息，也包含在CN-0382設(shè)計(jì)支持包中。 代碼示例包括基本HART從機(jī)命令響應(yīng)，用于演示硬件的功能和特性。代碼示例不包括HART通信的協(xié)議層。 CN0382 采用低功耗、精密、24位-型ADC的隔離式4 mA至20 mA/HART工業(yè)溫度和壓力變送器 圖1所示電路是一種隔離式智能工業(yè)現(xiàn)場儀表，可與許多類型的模擬傳感器，如溫度傳感器(Pt100、Pt1000、熱電偶)或橋式壓力傳感器等接口。該儀表通過4 mA至20 mA模擬輸出和可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART®)接口進(jìn)行通信。HART是一種數(shù)字雙向通信，可在標(biāo)準(zhǔn)4 mA至20 mA模擬電流信號(hào)之上調(diào)制一個(gè)1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號(hào)。HART接口可實(shí)現(xiàn)眾多功能，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢和過程變量傳輸；這些功能在諸如溫度和壓力控制等應(yīng)用中是必須的。 該電路采用超低功耗、精密、24位-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)AD7124-4，其包括溫度和壓力系統(tǒng)所需的全部特性。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)AD5421， 業(yè)界功耗最低且尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器AD5700，提供超低功耗串行外設(shè)接口(SPI)隔離的 ADuM1441，CMOS開關(guān)ADG5433以及位于隔離功率電路中的低功耗3.3 V穩(wěn)壓器ADP162。 圖1. 具有HART接口的4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場儀表 (原理示意圖： 未顯示所有連接和去耦) CN0382 The CN0382 circuit is an isolated smart industrial field instrument that interfaces to many types of analog sensors such as temperature (Pt100, Pt1000, and thermocouple) or bridge pressure sensors. CN0382 circuit note and reference circuit info | Isolated 4 mA to 20 mA/HART Temperature and Pressure Industrial Transmitter Using a Low Power, Precision, 24-Bit, Sigma-Delta ADC | Analog Devices

• Isolated 4-20mA Field Instrument
• HART Transmitter
• Loop Powered
• Temperature and Pressure Inputs

(analog)