基于24位Σ-Δ型ADC AD7793、数字隔离器ADuM5401和高性能仪表放大器的全隔离输入模块
2013-07-11
作者：ADI
电路功能与优势
本电路提供一种完整的工业控制输入模块解决方案。该设计适合过程控制可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块，这些模块必须对标准4 mA至20 mA电流输入及单极性或双极性输入电压范围进行数字化处理。仪表放大器AD8220用来对双极性信号进行电平转换，向AD7793 ADC提供0 V至5 V输入信号。ADuM5401提供微控制器与ADC之间所需的全部信号隔离和电源。本电路还含有标准外部保护功能，且经过测试和验证，完全符合IEC 61000标准。
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图1. 24位隔离式工业控制电压输入模块（原理示意图）
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电路描述
对于工业控制模块，模拟输入电压和电流范围包括±5 V、±10 V、0 V至5 V、0 V至10 V、4 mA至20 mA或0 mA至20 mA。输入端的电阻分压器(R2-R3)用来衰减高压输入，使其符合AD8220的最大输入范围（采用+5 V单电源供电时为−0.1V至+2.5 V）。AD8220用来对输入信号进行电平转换，并提供增益，使其符合AD7793的输入范围。该电路专门针对单极性模拟输入设计，其它电路板针对双极性操作设计，需要双极性电源（参见“iCoupler 数字隔离器保护工业、仪器仪表和计算机应用中的RS-232、RS-485和CAN总线”Wayne, Scott，模拟对话，2005年10月。） AD8220用来对输入信号进行电平转换，并提供增益，使其符合AD7793的输入范围。它还具有这些应用需要的出色共模抑制比(CMRR)。跳线（为清晰起见，图中显示为开关）用来切换硬件中的电流和电压范围，以及设置AD8220的增益。例如，当输入设置为接收4 mA至20 mA电流时，开关配置为在输入端提供250 Ω负载电阻(R1)，以提供5 V满量程电压。
与REF引脚相连的共模信号用来偏置AD8220的输出。该基准信号产生自与AD7793相同的基准电压源，经过分压后，提供0.5 V偏置电压。该偏置电压利用AD8601进行缓冲，并与AD8220的REF引脚相连。AD8220的REF输入应始终采用低阻抗、深度去耦源驱动。
本电路选择ADR441 为基准电压源。它具有0.04%的出色精度特性，温度漂移最大值为3 ppm/°C。
ADuM5401是一款采用ADI公司iCoupler®技术并集成isoPower技术的四通道隔离器。它可用来在现场端与系统微控制器之间实现隔离，隔离额定值为2.5 kV（均方根值）。ADuM5401还集成了DC-DC转换器，可在5 V或3.3 V时提供500 mW的稳压隔离电源。本设计利用ADuM5401提供的5 V电压为输入模块上的所有模拟电路供电。使用四条线：三条用于发射(CS, SCLK, DIN)，一条用于接收(DOUT)，这些线与标准SPI接口相连。
图2所示为采用±10 V输入范围连接一个2.5 V输入信号时，该输入模块的噪声图。输出端测得的噪声以峰峰分辨率表示。19.2位峰峰无噪声码分辨率表示：相对于ADC的24位分辨率，ADC输出端有4.8位“闪烁噪声”。因此，ADC的无噪声码分辨率为19.2位。就对整体系统误差的贡献而言，测得的4.8位噪声相对于ADC的满量程范围贡献了约0.0001%的误差。AD7793的积分非线性误差为0.0015%。
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图2. 输入模块直方图（更新速率为4.7 Hz，增益为1，输入为2.5 V基准电压）
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本设计还含有外部保护功能（如标准保护二极管和TVS器件等），且成功通过测试，符合下列表1所示的IEC 61000标准。