CN0364 PLC/DCS四通道电压和电流输入,兼容HART

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CN0364 需要高信道数据速率时,ADC可以使用AD7175-2。AD7175-2支持最高250 kSPS 的数据速率,具有最高50 kSPS 的信道切换速率。AD7175-2可以在250 kSPS数据速率下实现17.2无噪声位的分辨率。除了更高的数据率外,AD7175-2的特性与AD7173-8类似。 应用中隔离电源的功率高于150 mW 时,可以使用 ADuM540x 或 ADuM347x。ADuM540x 采用 isoPower 技术,可提供高达500 mW的隔离电源。ADuM347x驱动外部分立变压器,高达70%的效率提供高达2W的功率。 图1中所示的电路使用EVAL-CN0364-SDPZ评估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP控制器板。 EVAL-CN0364-SDPZ评估板具有PMOD兼容的端子,可与外部控制器板集成。 CN-0364评估软件与SDP板通讯,并对EVAL-CN0364-SDPZ评估板进行配置并从其获取数据。  所需设备 需要以下设备: 带有USB端口的PC机,windows Vista (32位) 或Windows7 (32位) EVAL-CN0364-SDPZ 电路评估板 EVAL-SDP-CB1Z SDP 控制器板 CN-0364 评估软件 精密电压和电流源 电源:直流5.5 V至36 V,500mA 启动 安装CN-0364评估软件,软件可在 ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0364 下载。请按照屏幕上的提示安装和使用本软件。从 CN-0364 软件用户指南中可获取更多详细信息。 功能框图 图7为测试设置的功能框图。 CN0364_06_1024 图7.测试设置功能框图 设置 通过一个120针的匹配连接器连接EVAL-CN0364-SDPZ评估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP板。CN-0364评估软件和SDP板允许使用PC机对数据进行分析。 可以连接CN-0267 电路(一个完整的带有HART接口,4 mA至20 mA环路供电现场仪表),来方便测试HART物理层功能。CN-0267硬件响应CN-0364评估软件中的HART指令。 外部控制器也可以通过SPIUART通信的PMOD头来与评估板通信并为其供电。 精密电压和电流源可用作模拟前端的输入来进行系统性能评估。 图8是EVAL-CN0364-SDPZ评估板的照片。 CN0364_07_1024 图8.EVAL-CN0364-SDPZ评估板照片 数据转换由24位Σ-Δ模拟至数字转换器(ADC) AD7173-8 来完成。AD7173-8可由软件配置,允许8路全差分或16路单端输入通道,通过内置交叉多路复用器提供极大的灵活性。AD7173-8采用小型6 mm × 6 mm LFCSP封装,是空间尺寸受限场合下的一个理想选择。内部时钟和精密2.5 V电压基准减少了外部组件,进一步节省了空间。四个可编程通用输出引脚(GPIO0,GPIO1,GPO2,GPO3)允许控制外部多路复用器,因此可以控制切换多路HART接口,从而减少从处理器/控制器的额外连线。AD7173-8具有内部校准寄存器,可以编程来提供全输入路径上的偏置和增益校准。 AD5700-1是业内最低功率、最小封装、HART兼容的调制解调器,与电流输入通道一起形成HART兼容的,4 mA到20 mA接收器解决方案。AD5700-1包括一个内部精密振荡器,可以额外节省空间,尤其是在隔离应用中。 ADG704 多路复用器提供多路电流输入通道与HART之间的连接。 ADuM5211将两个数据通道(Tx,Rx)隔离,并且通过集成的isoPower®技术提供了5 V电源隔离。 ADuM3151 PIsolator提供串行外围接口(SPI)隔离,时钟速率可以高达17 MHz(B级),同时可隔离三个附加的数据通道。 ADP2441 是36 V,降压调节器,可接受工业标准24 V电源供电,具有宽输入电压。ADP2441将输入电压降至5 V,为所有控制器侧电路供电。该电路还包括标准24 V输入端外围保护。 CN0364_00_1024   图1. PLC/DCS四通道电压和电流输入前端(简化原理图:未显示所有连接及去耦电路) 电压输入电路 图2显示通道1的电压输入网络。  CN0364_01_1024     图2.电压输入等效电路(简化)    该电路为差分输入,支持最高输入范围为±10 V,并允许具有±5 V的共模电压。输入阻抗约为900 kΩ,高值的R1和R2在高电压瞬变期间也可以对输入进行保护。 R1、R2、R3和R4电阻形成差分电阻分压器。这些电阻的匹配对电路的直流精度至关重要。推荐单点校准以消除初始误差。多点校准可用来消除温漂影响。评估板R1、R2、R3和R4的默认安装为0.1%,25 ppm/°C的电阻。 R5、R6电阻设置ADC的共模电压。 AD7173-8 具有允许输入0 V至3.9 V电压范围。+2.2 V的偏置电压于输入的分压电阻配合,将±10 V输入信号进行偏置和衰减,使得在ADC输入端,信号变为以2 V共模电压为中心,幅值为±1.1 V的信号。 输入共模噪声滤波由R1||R3/C1和R2||R4/C2提供,大约200 kHz。差模噪声滤波由R1||R3,R2||R4和C3提供,大约20 kHz。 表1总结了四个电压输入通道的参数。 表1.电压输入电路参数(基于最坏的情况计算的最大值) 参数 数值 单位 测试条件/注释 输入阻抗 分压比 903 0.11 kΩ 02 kΩ和49.9 kΩ的电阻分压 源于电阻的始误差 0.18 %FSR max 25°C,未校正,假定0.1%电阻 源于输入漏电流的误差 ±0.01 %FSR ±10 V范围,AD7173-8,±2 nA典型漏电流 源于电阻漂移的误差 18 ppm/°C max ppm/°C max  假定10 ppm/°C电阻 假定5 ppm/°C电阻 源于基准电压漂移的误差 10 ppm/°C max 内部基准 共模 ±5 V 数据速率 31.25 1.55 6.25 kSPS kSPS SPS 1输入使能(±10 V,14.7位无噪声分辨率) 4通道,每通道完全稳定,sinc5+1滤波(±10 V,14.7位无噪音分辨率) 4通道,每通道完全稳定,50 Hz/60 Hz抑制,(±10 V,18.8位无噪音分辨率) 输入滤波 20 200 kHz kHz 差模 共模 电流输入电路 图3显示通道1的电流输入网络。 CN0364_02_1024   图3.电流输入等效电路(简化)   该电路具有四个电流输入的通道,支持最大输入范围0 mA到24 mA。电路输入阻抗是250 Ω,输入参考为地。使用一个100 Ω精密电流检测电阻,因此24 mA输入产生2.4 V,在AD7173-8的2.5 V(使用内部的2.5 V电压参考)输入范围之内。评估板默认安装电阻为0.1%,10 ppm/°C电阻。 ADC输入分为两个输入路径。快速输入路径用于不使用HART的通道,低速输入路径用于使用HART的通道。 快速输入路径允许Σ-Δ ADC的信号输入全带宽的信号。也可能使用内部sinc滤波器滤除1.2 kHz和2.2 kHz的HART频率。然而,使用sinc滤波器需要在400 SPS数据速率(sinc3滤波器筛选)下运行相关通道,这将增加所有四个通道所需的转换时间。 慢输入通道包含16 Hz双极点滤波器,滤掉1.2 kHz和2.2 kHz的HART数字信号频率。使用此输入,Σ-Δ ADC可以仍然运行在快速数据速率下,同时滤除HART数字信号频率。所有四个通道的转换时间不会增加。如果所有通道的HART不全使能,ADC运行在快速数据率下尤其有用。 表2中总结了电流输入线路参数。 表2.电流输入线路参数(基于最坏情况计算的最大值) 参数 数值 单位 测试条件/注释 输入阻抗 250 Ω 接地 源自电阻的误差 N/A1 %FSR max 每个RSENSE 电阻规格 源自电阻漂移的误差 N/A1 ppm/°C max 每个 RSENSE 电阻规格 源自基准漂移的误差 10 ppm/°C max 内部基准 数据速率 31.25 1.55 6.25 kSPS kSPS SPS 使能1输入(14.8位无噪声编码分辨率,用于0 mA到20 mA) 4个通道,每通道完全稳定,sinc5+1的滤波(14.8位峰峰值分辨率,用于0 mA到20 mA) 4个通道,每通道完全稳定,50 Hz/60 Hz抑制(18.1位峰峰值分辨率,用于0 mA到20 mA) 输入滤波器 27 16 kHz Hz 快速输入 提供HART滤波的低速输入 1 N/A = 不适用 HART输入和输出电路 图4显示了HART输入和输出电路。 CN0364_03_1024 图4. HART输入与输出电路(简化) HART的功能是在四个电流输入通道间进行复用。通过两个 ADG704 多路复用器(图4中SW1和SW2),实现HART输入和输出网络在四个通道上共享。 HART输入电路由R3、C1、C2、R4、R5组成的HART带通滤波器组成。AD5700-1 的数据手册有此滤波器的描述。每个通道使用一个开关(SW1)来将HART输入线路切换到HART激活通道。每个通道上都有一个150 kΩ的电阻(R3),它是带通滤波器的一部分,同时给开关SW1提供了额外的保护。HART输入直接连接到电流输入端,以确保AD5700-1的ADC_IP引脚可以接收到正确的电压电平。 每个通道使用一个开关SW2来将HART输出线路切换到激活通道。电容C3用来耦合HART信号。需要仔细选择R1、C3、R6,R7的组合,以确保AD5700-1的HART_OUT引脚的电压在25 Hz、4 mA至20 mA的输入信号(对于HART使能器件,代表最快的可允许速率)下不低于GND。 CN0364_04_1024 图5.供电电路(简化原理图:未显示所有的连接)   电源电路 评估板由5.5 V至36 V直流电源供电,并使用板上开关稳压器为系统提供5 V电压,如图5所示。在测试设置中,5 V电压为 EVAL-SDP-CB1Z 演示平台(SDP)评估板供电。EVAL-SDP-CB1ZSDP板提供VIO的3.3V电压。 即使使用小尺寸电感,ADP2441 的高开关频率也能够提供最小的输出电压纹波。电感尺寸的选择需要在效率和瞬态响应之间权衡。小电感会引起大的电感电流纹波,可提供良好的瞬态响应,但效率会降低。由于ADP2441的高开关频率,建议使用屏蔽的铁氧体磁芯电感,因为此类电感的铁芯损耗和电磁干扰(EMI)都低。 图5电路中,开关频率大约为1 MHz,由88.7 kΩ外部电阻设定。12 μH的电感(线艺LPS6235-123MLC)是按照ADP2441数据手册的表8进行选择的。 该电路通过螺丝端子连接到5.5 V至36 V的供电电源。EARTH端可以与外部的大地连接,不使用外部接地时刻连接至GND端子。 功率电感(DR73-102-R),压敏电阻(V56ZA3P,56 V),功率二极管(S2A-TP,50 V)和一个1.1 A的保险丝提供额外的输入电压瞬变保护。 噪声测试 短接每个通道的输入端子进行系统噪声的评估,这样会使得每个输入通道的差分电压为零,且每个电流输入通道的输入接地。输入短路时采集数据,从样本数中计算代码的分布和无噪声编码分辨率。 可使用 CN-0364 评估软件来进行噪声试验。可以得到每个通道代码的分布和无噪声编码分辨率,数据显示在直方图中。图6直方图是由通道1电压输入采集的样本数据。 CN0364_05_1024 图6.通道1电压输入、输入短路,偏置到参考电压,31.25 kSPS,Sinc5+1滤波器,2000个采样(15.8位无噪声编码分辨率) HART测试 HART功能进行测试按照HART物理层测试规范(HCF-试验-2)进行。该电路满足HART物理层的要求。有关HART规格的更多细节可以直接从HART通信基金会获取。 ADC输入对HART 1.2 KHz和2.2 KHz信号的抑制进行了测试。表3显示测试结果。 表3. 1.2KHz和2.2 KHz HART频率的抑制 操作模式 频率(kHz) 抑制(dB) 低速输入路径,31 kSPS Sinc5 + 1滤波 1.2 2.2 60.5 66.5 快速输入路径,400 SPS Sinc3滤波 1.2 2.2 ≥74.4 66.6 EVAL-CN0364-SDPZ 评估板的完整设计支持包,包括原理图、BOM和布局,可以从 www.analog.com/CN0364-DesignSupport下载。 CN0364 PLC/DCS四通道电压和电流输入,兼容HART 图1所示电路提供了一个完整的全隔离、高灵活性的四通道模拟输入系统,适用于需要多电压输入、HART兼容、4 mA至20 mA电流输入等要求的可编程逻辑控制器(PLCs)和分布式控制系统(DCS)。 此模拟输入电路是为分组隔离的工业模拟输入而设计,可支持的电压和电流输入范围包括±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。 该电路由标准的24 V总线供电,并产生一个隔离的5 V系统供电电压。 cn0364 CN0364
  • 四通道电压和电流输入
  • 完全隔离
  • 兼容HART

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