使用AD4111转换器简化过程控制应用的模拟输入模块设计

简介

在为可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS）模块等过程控制应用设计模拟输入模块时，所考虑的主要权衡通常是性能与成本。在这个应用空间中存在一种传统，即使用双极性±15 V电源轨来提供用于衰减或增益输入信号的有源前端组件。这会影响材料清单（BOM）的成本，并且通过创建隔离的双极电源会增加设计的复杂性。为了节省成本，另一种方法是使用单个5 V电源进行架构。单个5 V电源轨大大降低了模拟前端隔离电源设计的复杂性。但是，它可能会引入其他痛点，并可能导致精度较低的测量解决方案。 AD4111具有电压和电流测量所需的大量集成，并解决了5 V电源解决方案的局限性。

集成前端

AD4111是一款24位Σ-ΔADC，通过实现创新而简单的信号链，缩短了开发时间和设计成本。利用ADI公司专有的 i Passive ™技术，它集成了模拟前端和ADC。这使得AD4111能够接受±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入，同时在单个5 V或3.3 V电源下工作，无需外部元件。电压输入指定为±20 V的超量程，此时器件仍可提供有效转换，并在电压引脚上提供±50 V的绝对最大值。电流输入指定为-0.5 mA至24 mA的范围，可实现接近0 mA的精确电流测量，并提供精确的24 mA转换。 AD4111的电压输入保证最小阻抗为1MΩ。这样可以去除±15 V外部缓冲器，进一步减少电路板空间和BOM成本。 5 V设计受限于每个电压输入具有高阻抗分压器的要求，其使用更多的电路板空间。离散解决方案的设计成为精密电阻器成本和精度之间的折衷。为了解决这个问题，AD4111在每个输入端采用了高阻抗，精密的分压器，如图3所示。

开路检测

通常，单个5 V设计的限制是缺少开路检测，通常使用高阻抗电阻实现15 V电源轨以拉开连接到超出范围的电压。 AD4111具有独特的开路检测功能，采用5 V或3.3 V电源，可以克服这一问题。这将开路检测与超出范围的故障分开，进一步简化了诊断。通过在AD4111内部包含此功能，前端需要一个上拉电阻，因此也消除了对15 V电源的需求，如图2所示。消除±15 V电源可降低隔离电路的复杂性，面积和发射。对于不需要开路检测的应用，可以使用替代通用AD4112。这部分具有AD4111的所有优点，但没有开路检测。

系统级解决方案

AD4111集成了电压基准和内部时钟有助于减少电路板尺寸和BOM成本进一步提高，同时允许使用外部元件，如果需要更高的精度和更低的温度误差转换。图2和图3分别显示了典型的高端和低端解决方案。图2和图3中突出显示的信号链的比例可以完全被AD4111取代。 AD4111的总不可调整误差（TUE）精度规范旨在达到系统级要求。对于许多解决方案，精度可能足以消除对任何额外校准的需要。在现有的高精度解决方案中，通常每个通道校准模块。 AD4111采用高度匹配的输入设计，因此校准一个输入可在所有输入上提供类似的精度。

EMC测试

PLC和DCS模块通常在恶劣的工业环境中运行，并且必须承受电磁干扰（EMI）条件。在设计具有电磁兼容性（EMC）功能的输入模块时，这会增加更高的复杂性，因为大多数设备不适用于EMC，因此设计输入保护和滤波电路变得复杂。这可以在设计和测试方面为开发增加大量时间。 EMC实验室租金昂贵，测试失败可能意味着长时间延迟，直到电路板可以重新设计和重新测试。 AD4111采用印刷电路板（PCB）设计，具有成熟的EMC解决方案。该电路板的特点是确保电路性能不会受到辐射射频（RF）或传导RF干扰的永久影响，并且已被证明具有足够的抗静电放电（ESD），电快速瞬变（EFT）和浪涌的能力。符合IEC 61000-4-x标准。它还针对CISPR 11进行了评估，其中电路板的辐射发射远低于A类限值。有关AD4111 EMC PCB的更多信息，请参见AN-1572。本应用笔记详细介绍了所使用的测试程序的所有必要信息，以及为AD4111设计EMC验证输入模块的电路板设计原理图和布局。

结论

AD4111是具有高集成度的系统级ADC，包括全面的可配置性。它具有±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入的能力，采用5 V或3.3 V单电源供电，具有开路检测功能及其许多其他功能，为模拟输入模块设计提供了独特的解决方案。它采用6 mm×6 mm，40引脚LFCSP封装，使曾经需要完整复杂PCB的模块现在可以由单个器件替代。