CN0382 採用低功耗、精密、24位-型ADC的隔離式4 mA至20 mA/HART工業温度和壓力變送器

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CN0382 AD7124-4具有一個高性能且非常靈活的模擬前端,提供4個差分或7個偽差分模擬輸入引腳,以及供基準電壓源和低端功率開關使用的額外引腳。它允許與多個各類模擬傳感器直接接口,比如任意的阻性橋式傳感器、電阻温度傳感器或熱電偶。由於可用於幾乎所有的傳感器現場儀表,這款現場儀表解決方案並不侷限於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個差分輸入或15個偽 差分輸入,因而適合需要高通道數的應用。 AD5421 可通過保護電路直接與環路相連。也可在AD5421和環路電源之間連接一個耗盡型N溝槽MOSFET,如圖8所示。由於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,並增加4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還可將環路允許的最大電壓提升至MOSFET的額定電平值。額外的MOSFET對HART通信無影響。 CN0382 Image 圖8. MOSEFT連接至AD5421環路電源 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 度的集成式內部振盪器使用。與晶體振盪器相比,內部振盪器最多可提升225 A調制解調器電源電流,但因為無需使用外部晶體,因此該方案同時節省了成本,降低了所需的電路板面積。 對於非環路供電的應用,AD5410, AD5420, AD5422, 或AD5755是很好的4 mA至20 mA DAC選擇。 最後,有很多隔離器產品可以代替ADuM1441 : ADuM1440, ADuM1442, ADuM1445, ADuM1446, ADuM1447, ADuM1240, ADuM1241, ADuM1245, 和ADuM1246. 電路硬件 圖1中的電路基於圖9中的DEMO-AD7124-DZ 印刷電路板(PCB)構建。 CN0382 Image 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,方便進行系統評估。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HART RTS和CD有測試點。通過4引腳連接器可將代碼下載到微控制器。 The CN-0382設計支持包 還包括完整的用於3線/4線Pt100/Pt1000RTD、熱電偶和電壓/電流激勵壓力傳感器的現場儀表C語言代碼示例,可用來對全部硬件模塊和電路特性進行完整的驗證與評估,並對HART接口的功能性提供一定程度的驗證。有關HART接口規範和資源的詳細信息,請聯繫HART通信基金會。 電路功耗 為了方便在線測量,本電路有多個測試點可測量電流。AD5421的REGOUT引腳和DVDD引腳在其路徑中包括一個10 電阻。ADP162的輸出在其路徑中也有一個類似的10 電阻。10 電阻的每一端都有測試點。利用這種設置可以測量各電阻上的壓降並計算電流,而無中斷電源電流或干擾電路。 電路配置如下: 微控制器內核時鐘 = 1 MHz AD7124-4和模擬電路工作在與傳感器類型相適應的模 式下 AD5421以10 SPS的速率工作並更新環路輸出電流 HART通信,週期性響應主機請求以讀取所有器件變量 表1. 電路功耗 模式 AD5421內部(mA) DVDD 3.3 V (mA) REGOUT 9.0 V (mA) 環路總 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成4 mA至20 mA輸出)從環路消耗的總電流。AD5421本身(估計值,將AD5421放入最低環路電流中驗證)、從DVDD 3.3 V供電的電路(微控制器、HART調制解調器和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。 電路及所有相關模擬和數字模塊(包括輸入傳感器)的功耗在最小4 mA環路輸出電流的許可預算之內。 傳感器輸入性能 4-線 RTD 圖10顯示了系統連接一個4線RTD時的性能。使用B級Pt100傳感器。AD7124-4配置如下: 功率模式:中功率模式 濾波器:後置濾波器,25 SPS 激勵電流:AIN6上使能,設置為250 μA 增益 = 16 極性:單極性 基準電壓緩衝器使能 RTD連接到AIN4/AIN5通道 基準電壓源:REFIN1,5.6 k基準電阻連接在REFIN1引 腳上 AD7124-4內部失調和滿量程校準在上電時執行 CN0382 Image 圖10. 4線RTD測量 從ADC讀取的轉換結果在微控制器內線性化。作用於Pt100傳感器的温度從0°C變化到100°C,而電路板保持25°C温度。圖10顯示了演示系統的精度。演示系統的測量精度在B級Pt100傳感器的額定精度內。 3線 RTD 圖11顯示了系統連接一個3線RTD時的性能。使用B級Pt100傳感器。AD7124-4配置如下: 功率模式:中功率模式 濾波器:後置濾波器,25 SPS 激勵電流IOUT0:AIN6上使能,設置為250 μA 激勵電流IOUT0:AIN7上使能,設置為250 μA 增益 = 16 極性:單極性 基準電壓緩衝器使能 RTD連接到AIN4/AIN5通道 基準電壓源:REFIN1,5.6 k基準電阻連接在REFIN1引 腳上 AD7124-4內部失調和滿量程校準在上電時執行 CN0382 Image 圖11. 3線RTD測量 作用於Pt100傳感器的温度從0°C變化到100°C,而電路板保持25°C温度。從ADC讀取的轉換結果在微控制器內線性化。施加温度與電路板實測温度之間的誤差如圖所示。在温度掃描之前,在25°C時進行內部失調和滿量程校準。校準之後,3線Pt100完全位於B級Pt100允許的包絡以內。圖11顯示了演示系統的精度。演示系統的測量精度在B級Pt100傳感器的額定精度內。 熱電偶 圖12顯示了系統連接一個T型熱電偶時的性能。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 使能內部基準電壓源 濾波器:後置濾波器,25 SPS 極性:雙極性 AD7124-4內部失調和滿量程校準在上電時執行 冷結配置 增益 = 1 濾波器:快速建立Sinc3,44.44 SPS 通道:AIN2/AIN3 選擇內部基準電壓源 模擬輸入緩衝器使能 極性:單極性 AD7124-4的滿量程誤差經過工廠校準(增益為1時),因而無需再執行校準。 CN0382 Image 圖12. T型熱電偶測量(冷結為環境温度) 在圖12中,冷結保持在25°C,熱電偶從0°C掃描到100°C。從ADC讀取的轉換結果在微控制器內進行處理和線性化。 T型熱電偶的精度為1°C或0.75%(以較大者為準)。熱敏電阻也會增加一些誤差。電路中使用的熱敏電阻精度為1%或1°C(以較大者為準)。圖12顯示了施加温度與實測温度之間的差異。結果完全在熱電偶/熱敏電阻組合的規格以內。 重複進行測量,熱電偶保持在25°C,冷結從0°C掃描到80°C(參見圖13)。系統總精度為1.75°C,使用更精確的冷結(如Pt100傳感器)可以提高精度。 CN0382 Image 圖13. T型熱電偶測量(冷結掃描,熱電偶保持環境温度) 壓力 連接壓力傳感器後,執行噪聲測試。噪聲電平是模擬前端與板上其餘電路交互所能影響的主要因素。因此,測試主要針對噪聲以及相關的系統分辨率性能進行。 該演示配置為通過HART通信發送表示壓力的數據,單位為kPa。捕獲100個樣本,完成基本數據分析以便量化性能。第一項測試是在連接標準壓力傳感器(Honeywell24PCDFA6D)的情況下進行。第二項測試是在由短路輸入產生輸入信號的情況下進行。 執行測試時,傳感器用一個電流源和一個電壓激勵。在電壓模式下,AD7124-4配置如下: 功率模式:中功率模式 濾波器:後置濾波器,25 SPS 增益 = 16 極性:雙極性 基準電壓緩衝器使能 傳感器連接到AIN4/AIN5通道 基準電壓源:REFIN2,基準電壓由壓力傳感器的檢測 電阻提供 在電流激勵模式下,AD7124-4配置如下: 功率模式:中功率模式 濾波器:後置濾波器,25 SPS 激勵電流:AIN6上的兩個激勵電流均使能並設置為100 μA,得到總計200 μA電流 增益 = 16 極性:雙極性 基準電壓緩衝器使能 傳感器連接到AIN4/AIN5通道 基準電壓源:REFIN1,5.6 k基準電阻連接在REFIN1引腳上 性能總結見表2,圖14至圖17顯示信號曲線圖。 表2. 壓力傳感器:噪聲和分辨率 參數 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 峯峯值噪聲 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(峯峯值)分辨率 16.8 16.9 15.3 15.4 Bits CN0382 Image 圖14. 電壓模式—壓力傳感器輸入波形 CN0382 Image 圖15. 電壓模式—輸入短路波形 CN0382 Image 圖16. 電流模式—壓力傳感器輸入波形 CN0382 Image 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用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端。該器件內置一個低噪聲24位-型模數轉換器(ADC),可配置來提供4個差分輸入或7個單端或偽差分輸入。片內低噪聲增益級確保ADC中可直接輸入小信號。 AD7124-4的主要優勢之一是用户可靈活使用三種集成功率模式。功耗、輸出數據速率範圍和均方根噪聲可通過所選功率模式進行定製。該器件還提供多個濾波器選項,確保為用户帶來最大的靈活性。 當輸出數據速率為25 SPS(單週期建立)時,AD7124-4可實現50 Hz和60 Hz同時抑制。 AD7124-4提供最高的信號鏈集成度。該器件內置一個精密低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源,也可採用內部緩衝的外部差分基準電壓。其它主要集成特性包括可編程低漂移激勵電流源、開路測試(burnout)電流和偏置電壓產生器,利用偏置電壓產生器可將某一通道的共模電壓設置為AVDD/2。低端功率開關允許用户在兩次轉換之間關斷橋式傳感器,從而保證系統具有絕對最小功耗。該器件還允許用户採用內部時鐘或外部時鐘工作。 內置通道序列器可以同時使能多個通道,AD7124-4按順序在各使能通道上執行轉換,簡化了與器件的通信。多達16個通道可隨時使能,這些通道具有模擬輸入或診斷功能(比如電源檢查或基準電壓源檢查)。這一獨特的特性允許診斷和轉換交替進行。該器件支持8種配置或設置。AD7124-4還支持各通道獨立配置。每種配置包括增益、濾波器類型、輸出數據速率、緩衝和基準電壓源。用户可在各通道上分配任何設置。 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冗餘校驗(CRC)、信號鏈檢查和串行接口檢查,從而提供更強大的解決方案。這些診斷功能可減少執行診斷功能所需的外部元件,從而減少對電路板空間的需求,縮短設計時間並節省成本。根據IEC 61508,典型應用的失效模式影響和診斷分析(FMEDA)表明安全失效比例(SFF)大於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建模塊。對於連接的所有類型傳感器,ADC以中功耗模式工作。使用後置濾波器的原因是當以25 SPS速率轉換時,它能實現50 Hz和60 Hz同時抑制。將一個傳感器連接到該電路時,ADC按照所連傳感器類型進行適當的配置。還可以執行內部滿量程和失調校準,以使失調誤差和滿量程誤差最小;校準由UART或HART命令啓動。 AD7124-4具有多種片內診斷功能,可確保設計穩定可靠。在該電路中,開路故障檢測確保傳感器已連接;通過監視狀態寄存器中的上電覆位(POR)狀態,可在發生上電覆位時告知用户。每次轉換都要讀取錯誤寄存器,其內容隨同傳感器結果通過HART發送。 RTD 阻性温度檢測器(RTD)的測量範圍是−200°C至+600°C。典型RTD為由鉑製成的Pt100和Pt1000。本電路使用Pt100。 4-線 RTD 圖2顯示了一個4線Pt100 RTD如何連接到本電路。 CN0382 Image 圖2. 4線RTD AD7124-4的一個片內激勵電流激勵Pt100。Pt100的最大電阻值為313.71 (600°C時)。若激勵電流設置為250 μA,則Pt100上產生的最大電壓為: 可編程增益陣列(PGA)設置為16倍增益,故調製器輸入端看到的最大電壓為: 5.6 k精密電阻(0.05%、10 ppm/°C)產生基準電壓。所選基準電阻RREF的值應使得其上產生的電壓最小值為1.25 V,也就是説,模擬輸入引起的調製器輸入端電壓小於或等於基準電壓。為Pt100供電的250 μA電流同樣流過5.6 k電阻,得到一個比率式配置。因此,激勵電流的任何變化對電路性能無影響。精密電阻上產生的電壓為: 模擬輸入端和基準輸入端上有抗混疊濾波器。這些濾波器防止任何頻率為調製器採樣頻率倍數的干擾混疊到目標頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不引起增益誤差,須使能基準電壓緩衝器。模擬輸入緩衝器會自動使能,因為使用PGA就會使能這些緩衝器。基準電壓緩衝器需要一些裕量(電源軌的100 mV以內)。因此,低端上有一個470 電阻以提供此裕量。 250 μA激勵電流需要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電阻有兩個作用:一是構成抗混疊濾波器,二是在發生過壓時(例如因為接線錯誤)保護模擬輸入。 電路筆記 CN-0381更詳細地説明了4線Pt100傳感器與AD7124-4的接口以及轉換結果的線性化或後處理。 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增益設置為1。 3-線 RTD 圖3顯示了一個3線Pt100 RTD如何連接到本電路。 CN0382 Image 圖3. 3-線 RTD AD7124-4有兩個匹配的激勵電流。二者均要配合3線RTD使用,以便能夠執行引線補償。Pt100的最大電阻值為313.71 (600 °C時),因此激勵電流設置為250 μA。基準電阻RREF連接在上方。故而,一個250 μA激勵電流(IOUT0)通過引腳AIN6輸出,經過5.6 k精密基準電阻(0.05%、10ppm/°C),然後流過Pt100。另一個250 μA電流(IOUT1)通過引腳AIN7輸出。此電流因為引腳電阻而產生一個電壓,其與AIN6上電流產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基準電阻上產生的電壓為 Pt100上產生的最大電壓為 PGA設置為16倍增益,故AD7124-4的調製器看到的電壓為 此電壓小於基準電壓,故在範圍內。 模擬輸入端和基準輸入端上有抗混疊濾波器。這些濾波器防止任何頻率為調製器採樣頻率倍數的干擾混疊到目標頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不引起增益誤差,須使能基準電壓緩衝器。模擬輸入緩衝器會自動使能,因為使用PGA就會使能這些緩衝器。基準電壓緩衝器需要一些裕量(電源軌的100 mV以內)。因此,低端上有一個470 電阻以提供此裕量。 250 μA激勵電流需要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更詳細地説明了3線Pt100傳感器與AD7124-4的接口以及轉換結果的線性化或後處理。 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增益設置為1。 熱電偶 圖4顯示了一個熱電偶如何連接到本電路。 CN0382 Image 圖4. T型熱電偶 熱電偶由兩種不同類型的導線連接而成。產生的電壓與温度具有相關性。例如,當温度發生1°C變化時,T型熱電偶產生典型值為40 μV的電壓。 必須將熱電偶電壓偏置到一個電壓。AD7124-4內置一個VBIAS源,其將熱電偶偏置到(AVDD − AVSS)/2。該偏置電壓在AIN6通道上使能並作用於熱電偶,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,因為AINM上看到的偏置電壓與AINP上看到的濾波版本有很大差別,足以影響轉換結果。熱電偶測量是絕對測量,內部2.5 V基準電壓源用於轉換。使用T型熱電偶。這種熱電偶的温度測量範圍是−200°C至+400°C,因而其產生的電壓範圍是−8 mV至+16 mV。PGA設置為128。 熱電偶測量是絕對測量,內部2.5 V基準電壓源用於轉換。使用T型熱電偶。這種熱電偶的温度測量範圍是−200°C至+400°C,因而其產生的電壓範圍是−8 mV至+16 mV。PGA設置為128。 冷結補償使用NTC熱敏電阻(10 k、1%、3435 K)。 CN0382 Image 圖5. 熱敏電阻 內部基準電壓源為熱敏電阻供電,增益設置為1。熱敏電阻低端使用一個電阻RREF。這是一個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為基準電壓。 合併以上兩個方程式可得: 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)。 然後在微控制器中利用基於熱敏電阻方程的查找表,將阻值轉換為温度: 其中: T為熱敏電阻記錄的温度(K)。 R0 = 10 kΩ. β = 3435 K. T0 = 298.15 K. 用攝氏度°C表示的温度為T − 273.15。 5.6 k電阻還為模擬輸入提供裕量,因為使能了模擬輸入緩衝器,其需要100 mV的裕量。發生接線錯誤時,此電阻還能限制電流,從而保護電路。 電路筆記CN-0384 更詳細地説明了熱電偶傳感器與 AD7124-4的接口以及轉換結果的線性化或後處理。 壓力傳感器 圖6所示為連接一個電壓激勵的壓力傳感器,圖7所示為連接一個電流激勵的壓力傳感器。使用Honeywell壓力傳感器(Honeywell S&C 24PCDFA6D)。 CN0382 Image 圖6. 電壓激勵壓力傳感器 CN0382 Image 圖7. 電流激勵壓力傳感器 對於電壓激勵架構,AVDD (3.3 V)激勵傳感器。如果利用AVDD激勵稱重傳感器,激勵電壓可直接用作ADC基準電壓。請注意,傳感器高端和低端上增加了一個電阻,用以確保滿足AD7124-4緩衝器的裕量要求。使用16倍增益。 對於電流激勵模式,AD7124-4的兩個100 μA激勵電流均被導向引腳AIN6,從而為傳感器提供200 μA激勵電流。增益同樣設置為16。5.6 k精密電阻產生基準電壓。這種安排得到一個比率式配置,激勵電流值的波動不會影響系統精度。 此電路板提供了相關選項,允許將傳感器低端連接到GND或AD7124-4的功率開關。 如上所述,模擬輸入端和基準電壓源入端具有抗混疊濾波器,可抑制任何頻率為ADC採樣頻率倍數的干擾。發生過壓時,串聯電阻還會限制電流。 主傳感器仿真 本電路包括一個電阻網絡和電位計,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,AIN0 (AINP)與AIN1 (AINM)之間施加的電壓可以在大約−0.09 V到+1.36 V的範圍內改變。此電路利用內部基準電壓源來支持轉換,AD7124-4增益設置為1,使能模擬輸入緩衝器。利用這種配置,用户可以評估電路而無需外接傳感器。 數字數據處理、算法和通信 演示軟件(包含在CN-0382 設計支持包中)中)可進行初始化和 配置、處理來自模擬輸入的數據、控制模擬輸出,並進行HART通信。提到的所有傳感器都需要線性化或補償。此線性化在軟件中執行。有關RTD和熱電偶傳感器的更多信息以及所需的線性化,請參電路筆記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環路供電輸出驅動器,可提供現場儀表模擬輸出所需的全部功能。 AD5421通過SPI接口與微控制器對接。 AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環路相關的診斷功能。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路端的電壓。該ADC還可通過集成式傳感器測量芯片温度。微控制器可配置並讀取AD5421的全部診斷數據,但AD5421也可採用自主工作方式。 例如,若控制器和AD5421之間的通信發生故障,AD5421將在一段時間後自動設置其模擬輸出為3.2 mA報警電流。此報警電流將現場儀表工作故障這一情況彙報給主機。 輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制,以防對HART通信產生干擾。 HART通信 AD5700集成完整的HART FSK調制解調器。該調制解調器通過標準UART接口,伴隨請求發送(RTS)和載波檢測(CD)信號實現與微控制器的連接。 HART輸出通過0.068 F/0.22 F容性分壓器調整至所需幅度,並耦合至AD5421 CIN引腳,然後與DAC輸出一同驅動和調製輸出電流。 HART輸入通過一個簡單的無源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,用作HART解調器的帶通濾波器,同時增強系統抵抗電磁干擾的能力——這對於穩定工作在惡劣工業環境中的應用而言非常重要。 AD5700低功耗振盪器採用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連的3.6864 MHz外部晶振,產生HART調制解調器的時鐘。 輸出保護 瞬變電壓抑制器(TVS)保護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絕對最大電壓。請注意,TVS漏電流可能會影響電流輸出精度;因此,選用此器件時,需關注一定環路電壓和温度範圍下的漏電流。 可使用外部耗盡型FET與AD5421搭配工作,提高環路電壓最大值。 本電路具有保護功能,通過與環路輸出相串聯的一對二極管保護電路免受極性反轉的影響。 鐵氧體磁珠與環路串聯,該串聯部分與4700 pF電容一同提升系統的EMC性能。由於HART網絡的規格限制,請勿在環路端點處使用更高數值的電容。 4.7 V低泄露齊納二極管保護AD5421的片內50 環路檢測電阻免受AD5421的COM引腳和LOOP−引腳間意外的外部電壓影響(例如當調試電路時)。 電源和電源管理 包括傳感器驅動電流在內的完整現場儀表電路必須工作在4 mA至20 mA環路提供的限量電源下。這對所有環路供電現場儀器設計而言,都是一個普遍的難題。圖1中的電路提供了低功耗以及高性能解決方案的一個實例。應用中用到的全部集成電路均針對低功耗而設計,並且電路依靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結構和性能最優的環路供電解決方案。 AD5421採用4 mA至20 mA環路電壓供電,為電路的其餘部分提供經過調節的低電壓。AD5421的REGOUT電壓可通過引腳在1.8 V至12 V範圍內編程,具體電壓值取決於電路要求。圖1所示電路採用9 V電源電壓選項。傳感器端利用簡單的推輓式DC-DC轉換器與4-20 mA環路隔離。ADG5433由微控制器提供時鐘,併產生9 V非重疊方波,以驅動一個變壓器。變壓器的工作電壓比為2:1。副邊上的4.5 V電壓由ADP162整流和調節,產生AD7124-4所用的低噪聲3.3 V電源。AD7124-4的3.3 V模擬和數字電源均由ADP162穩壓器提供,但有一個濾波器(L1/R19),防止數字電路產生的噪聲進入模擬部分。 AD5421在環路側提供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)有助於防止模擬電路受到來自環路的任何干擾的影響。它還能防止電路產生的任何干擾(尤其是控制器和數字電路產生的干擾)迴流耦合至環路,這對於可靠的HART通信而言非常重要。 AD5700 HART調制解調器通過一個額外的RC濾波器供電(470 /1 F)。該濾波器在環路供電應用中的作用非常重要,因為它可防止AD5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環路輸出進行耦合;若非如此,將影響HART通信。AD5700調制解調器使用外部晶振,通過將XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地,這是功耗最低的選項。 AD7124-4的主要優勢之一是用户可靈活使用三種集成功率模式。功耗、輸出數據速率範圍和均方根噪聲可通過所選功率模式進行定製。因此,對於4 mA至20 mA或便攜式設備,低功耗或中功耗模式是最佳選擇。針對功耗不是問題的過程控制系統,可使用全功率模式,以便降低噪聲。對於此環路供電電路,使用中功耗模式。有關功率模式的更多信息,參見AD7124-4數據手冊。 連接壓力傳感器時,AD7124-4的PSW接地開關引腳控制激勵和電源。儀表上電時,開關默認為斷開。這一默認設定允許在開啓傳感器之前對系統進行全面配置,包括適當的電源模式,從而最大程度降低4 mA至20 mA環路輸出上可能存在的任何上電尖峯。 連接RTD傳感器時,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,對於熱電偶傳感器,偏置電壓和絕對基準電壓均嵌入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對接,通過UART接口UART0與AD5700通信。軟件通過微控制器上的另一個UART接口UART1下載到微控制器。 啓動時,微控制器配置所有三個器件,AD7124-4針對T型熱電偶進行配置。AD7124-4工作在連續轉換模式。因此,其DOUT/RDY 引腳也連接到微控制器上的中斷引腳。每次ADC提供轉換結果時,就會在微控制器中產生一箇中斷,通知其可讀取轉換結果。然後,微控制器線性化並處理數據。結果送至AD5421 DAC以通過4 mA至20 mA環路傳輸。該軟件支持本電路筆記提到的所有傳感器類型。CN-0382設計支持包中包含用於演示本電路功能和性能的軟件。關於如何修改軟件以適應不同傳感器類型的文檔,以及關於下載軟件到微控制器的詳細信息,也包含在CN-0382設計支持包中。 代碼示例包括基本HART從機命令響應,用於演示硬件的功能和特性。代碼示例不包括HART通信的協議層。 CN0382 採用低功耗、精密、24位-型ADC的隔離式4 mA至20 mA/HART工業温度和壓力變送器 圖1所示電路是一種隔離式智能工業現場儀表,可與許多類型的模擬傳感器,如温度傳感器(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程傳感器高速通道(HART®)接口進行通信。HART是一種數字雙向通信,可在標準4 mA至20 mA模擬電流信號之上調製一個1 mA峯峯值頻移鍵控(FSK)信號。HART接口可實現眾多功能,例如遠程校準、故障查詢和過程變量傳輸;這些功能在諸如温度和壓力控制等應用中是必須的。 該電路採用超低功耗、精密、24位-型模數轉換器(ADC)AD7124-4,其包括温度和壓力系統所需的全部特性。該電 路還包括16位4 mA至20 mA環路供電數模轉換器(DAC)AD5421, 業界功耗最低且尺寸最小的HART兼容型IC調制解調器AD5700,提供超低功耗串行外設接口(SPI)隔離的 ADuM1441,CMOS開關ADG5433以及位於隔離功率電路中的低功耗3.3 V穩壓器ADP162。 CN0382 Image 圖1. 具有HART接口的4 mA至20 mA環路供電現場儀表 (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)

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