适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

电路功能与优势

图1所示电路提供一个双通道、通道间隔离的热电偶或RTD输入，适用于可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）。 该高集成度设计采用低功耗、24位、Σ-Δ型模数转换器（ADC），带有丰富的模拟和数字特性，无需额外的信号调理IC。

图1. PLC/DCS通道间隔离温度输入（原理示意图：未显示去耦和所有连接）

电路描述

24位Σ-Δ型ADC集成可编程增益阵列（PGA）和基准电压源，为灵活地连接热电偶或RTD传感器提供完整的特性组合。

其特性包括片内基准电压源、可编程增益阵列、激励电流、偏置电压发生器以及提供增强50 Hz和60 Hz抑制选项的灵活滤波。 AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封装，因而非常适合空间为重要考虑因素的通道间隔离设计。 它还包括多个可供用户使用的诊断功能。

ADuM5010隔离式DC/DC转换器通过集成的isoPower®技术提供3.3 V隔离电源。ADuM1441用于隔离AD7124-4的串行外设接口（SPI）。AD7124-4微功耗隔离器空闲时每通道的功耗仅4.8 μA，能效非常高。ADP2441是36 V降压DC-DC稳压器，采用工业标准24 V电源，具有宽输入电压容差。ADP2441用于将输入电压降至3.3 V，从而为所有控制器侧电路供电。

系统概述

通道间隔离在自动化系统中极具优势，因为特定输入通道的故障不会影响系统中的其它通道。 然而，通道间隔离输入模块给设计提出了重大挑战，具体表现在复杂度、空间限制和系统成本这些方面。

热电偶或RTD输入是工业自动化系统的常用输入，因此，设计一个能够处理两者的温度输入模块很有用。 这种灵活性最大程度地减少了两种输入模块的设计工作，而且为模块用户提供了灵活性。

AD7124-4显著降低了设计复杂度，提供一个片上系统，能够执行热电偶和RTD传感器所需的全部测量功能。

图1所示电路的每个通道大小仅有27 mm x 50 mm，若在印刷电路板（PCB）两面贴放器件，则上述面积可进一步缩小。 之所以能实现如此小的尺寸，是因为AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封装，并且集成了几乎所有必需的功能，除了隔离以及附加前端滤波和保护之外。 用于数据和电源隔离的隔离电路仅占用87 mm2，最小合并宽度为12.5 mm。

端子连接

图2显示了两个输入通道各自的端子连接。 这些引脚对应于硬件中的P1和P2（见图1）。 热电偶以及2/3/4线RTD连接如图所示。

图2. 前端滤波和电路（简化图）

输入滤波

如图3所示，输入共模噪声滤波由R1、C1和R2、C2实现，截止频率约为50 kHz。 差分噪声滤波由R1、R2和C3实现，截止频率约为2.5 kHz。 务必以Σ-Δ调制器频率（全功率模式下为307 kHz）滤除任何干扰，这点特别重要。 建议调整这些滤波器的截止频率以满足系统带宽要求，共模滤波器的截止频率约为差分滤波器截止频率的10倍。

图3. 前端滤波和电路（简化图）

输入保护

为保护输入不受过压状况影响，AD7124-4的每个输入路径上都放置了3 kΩ电阻。 此电阻值将30 V DC过压产生的电流限制在10 mA以下。

考虑30 V电压连接在AIN+和AIN−之间的情况。 从AIN+朝里看，30 V电压看到R1 （3 kΩ），之后是内部ESD保护二极管，再后面是从AIN3朝外看到的3 kΩ电阻与从AIN4朝外看到的3 kΩ电阻并联。 忽略内部ESD保护二极管，AIN+与AIN−之间的总电阻为3 kΩ + 3 kΩ||3 kΩ = 4.5 kΩ。 因此，流经AD7124-4的电流限值为30 V ÷ 4.5 kΩ = 6.7 mA。

RTD输入

图1所示电路可连接到2线、3线或4线RTD。 最大可测量3.92 kΩ电阻，因此它适用于Pt100和Pt1000 RTD。 使用电流激励，电阻测量为RTD与3.92 kΩ精密基准电阻（RREF）之间的比率式测量结果。 如图3所示，RTD测量在AIN1和AIN3之间进行，REFIN1+和REFIN1−用作测量的基准输入。 激励电流设置如下：

2线模式： 仅AIN0上的激励有效，设置为250 μA。

3线模式： AIN0和AIN4上的激励电流均有效，各设置为100 μA。

4线模式： 仅AIN0上的激励有效，设置为250 μA。

使用高端电流检测技术。 对于较低的RTD引线电阻值，此技术可降低3线模式下电流失配的影响。 有关3线RTD配置的更多信息，参见电路笔记CN-0383。

基准电阻（RREF）选择为3.92 kΩ，最高支持850°C的Pt1000 RTD测量（850°C时RTD电阻为3.9048 kΩ）。 RREF的值必须根据RTD的最大预期电阻来选择。 RREF电阻的精度直接影响测量精度，因此，必须使用精密、低漂移电阻。

4线模式下，激励电流必须设置为250 µA，3线模式下设置为100 µA。 对于4线模式，假设RTD值为3.92 kΩ。 来自AIN0的激励电流流经RREF + RRTD + RRETURN = 3.92 kΩ + 3.92 kΩ + 3 kΩ = 10.84 kΩ。 因此，AIN0处的电压等于250 µA × 10.84 kΩ = 2.71 V。AD7124-4指定激励电流输出端的输出顺从电压为AVDD − 0.35 V，即3.3 V – 0.35 V = 2.95 V。 因为2.95 V 》 2.71 V，所以即使对于最大RTD电阻，250 µA激励电流也能正常工作。

有关4线RTD配置的更多信息，参见电路笔记CN-0381。

在3线模式下，来自AIN4的引脚补偿激励电流也会流经3 kΩ返回电阻，在AIN0处产生一个附加电压：250 μA × 3 kΩ = 0.75 V。因此，AIN0处的总电压等于2.71 V + 0.75 V = 3.46 V，这违反了裕量要求。 所以，在3线模式下，各激励电流必须降至100 μA以提供足够的裕量。

PGA增益可用来提高测量分辨率。 对于Pt100 RTD，建议使用8倍增益（因为Pt100值比Pt1000值小10倍）。

为实现所需精度，RTD本身必须由主机控制器通过软件进行线性化，参见电路笔记CN-0383。

热电偶测量

如图3所示，热电偶连接在AIN+和AIN−端子之间。 AIN4引脚为热电偶提供3.3 V ÷ 2 = 1.65 V的偏置电压。 热电偶电压在AIN1和AIN3之间测量，因为热电偶信号非常小，通常推荐使用32倍或64倍的PGA增益。

冷结补偿使用10 kΩ NTC热敏电阻。 基准电压激励VREF从REFOUT获得，并且串联一个精密低漂移5.62 kΩ电阻接地。 NTC电阻值可以通过下式计算：

其中：

VNTC为AIN1和AIN3之间测得的电压。

VREF为AD7124-4 REFOUT提供的基准电压。

端子板与NTC温度传感器之间的温度差会直接影响热电偶输入的温度读数。 因此，NTC热敏电阻必须尽可能靠近端子板放置，使热耦合最大。

为实现所需精度，热电偶和NTC必须由主机控制器通过软件进行线性化，参见电路笔记CN-0384。

诊断

提供多种系统级诊断功能，包括：

基准电压检测

输入过压/欠压检测

SPI通信的CRC

存储器映射的CRC

SPI读/写检查

这些诊断功能对输入通道中可能发生的故障实现了高水平覆盖。

隔离

ADuM1441采用5 mm × 6.2 mm、16引脚小型QSOP封装（30 mm2）。数据通道利用四通道微功耗隔离器ADuM1441隔离，能效很高。

ADuM5010是一款完整的隔离开发转换器，利用isoPower技术为电路提供电源隔离。 The ADuM5010 is in a small 7.4 mm × 7.5 mm， 20-lead SSOP package （56.25 mm2）.ADuM5010采用7.4 mm × 7.5 mm、20引脚小型SSOP封装（56.25 mm2）。

图4所示为ADuM5010电路详情。 电源副边使用铁氧体磁珠来抑制潜在的电磁干扰（EMI）辐射。 铁氧体磁珠（Murata BLM18HK102SN1）专门针对100 MHz至1 GHz的高阻抗而选择。 还使用了10 μF和0.1 μF去耦电容。 铁氧体磁珠和电容均通过短走线连接到ADuM5010引脚，以使寄生电感和电阻最小。

图4. 带铁氧体磁珠和去耦电容的isoPower电路

拼接电容已维持最小面积，因为铁氧体磁珠已大幅降低辐射。ADuM5010电源、GND引脚和铁氧体磁珠之间的PCB区域应消除任何接地层或走线，以尽量减少高频噪声容性耦合到接地层。有关控制isoPower器件辐射的更多信息，参见AN-0971应用笔记。

根据ADuM5010数据手册选择R1和R2反馈电阻以选用3.3 V输出。

每通道功耗

ADuM5010由控制器侧电源供电，典型功耗为3.3 mA。ADuM5010满载时的效率仅为27%，因此，尽量减少现场侧的电流消耗会对通道的能效产生重大影响。

AD7124-4功耗约为994 μA（全功率模式、增益 = 32、TC偏置、诊断和内部基准电压源使能）。利用中功率或低功耗模式可以显著降低AD7124-4的功耗。

对于ADuM1441，空闲时现场侧总功耗约为7.2 μA，以2 Mbps工作时为552 μA。 如果接口在1/8的时间里有效，则ADuM1441的总功耗为（552 μA × 0.125） + （7.2 μA ×0.875） = 75.3 μA。

当以全功率模式工作、增益为32、内部基准电压源和TC偏置使能时，一个输入通道的实测功耗为7.9 mA（来自控制器侧3.3 V电源）。

电源电路

评估板由4.5 V至36 V直流电源供电，利用板上开关稳压器向系统提供3.3 V电源，如图5所示。EVAL- SDP-CB1Z系统演示平台（SDP）板为数字接口提供经调节的3.3 V电压。

ADP2441包括可编程软启动、调节输出电压、开关频率和电源良好指示等特性。这些特性通过外部小型电阻和电容编程。

ADP2441还包括多种保护特性，如带迟滞的欠压闭锁（UVLO）、输出短路保护和热关断等。

300 kHz开关频率可使ADP2441的效率最高。 由于ADP2441的开关频率非常高，建议使用低磁芯损耗、低EMI的屏蔽铁氧体磁芯电感。

在图5所示电路中，开关频率通过294 kΩ外部电阻设置为约300 kHz。 22 μH电感值（Coilcraft LPS6235-223MLC）是利用可下载的ADP2441降压调节器设计工具选择的。 此工具可根据所需的工作条件（4.5 V至36 V输入、3.3 V输出、1 A输出电流）选择最佳的元件值。 选择1 A电流是为了给主机控制器侧的其它电路供电（若需要）。

图5. 电源电路（原理示意图，未显示所有连接）

测试结果

关于热电偶、3线和4线RTD电路的详细性能分析，参见电路笔记CN-0381、电路笔记CN-0383和电路笔记CN-0384，其中给出了深入分析和测量结果。

图6给出了EVAL-CN0376-SDPZ的直方图，采用25 SPS后置滤波器，AIN+短接AIN−，增益为32，TC偏置使能。 数据对应于17.85位无噪声分辨率。

图6. AIN+和AIN-输入短接时的代码直方图（选择25 SPS后置滤波器、增益 = 32、TC偏置使能）

常见变化

如果需要更多通道，可以使用AD7124-8。AD7124-8有8个差分输入或16个单端输入。AD7792也可作为低成本选项加以考虑，不过其特性较少，性能较低。

ADuM3151等SPIsolatorTM可作为数据隔离选项，其最高支持17 MHz SPI传输，并且内置三个通用低速隔离通道。

图1所示电路使用NTC热敏电阻进行冷结补偿。 另一个选项是使用ADT7320数字温度传感器，其精度为0.25°C。 （参见电路笔记CN-0172）。

电路评估与测试

图1所示电路采用EVAL-CN0376-SDPZ评估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板。

EVAL-CN0376-SDPZ评估板具有PMOD兼容接头，支持与外部控制板集成。

CN-0376评估软件与SDP板通信，以便配置EVAL-CN0376-SDPZ评估板并从其中捕捉数据。

设备要求

需要以下设备：

带USB端口的Windows® Vista（32位）或Windows 7（32位）PC

EVAL-CN0376-SDPZ电路评估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板

CN-0376评估软件

精密电压和电阻源，或热电偶、RTD仿真器

电源： 4.5 V至36 V dc（100 mA）

开始使用

从ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0376/下载CN-0376评估软件，然后安装。 按照屏幕提示安装并使用该软件。 更多信息参见CN-0376软件用户指南。

测试设置功能框图

图7所示为测试设置的功能框图。

图7. 测试设置功能框图

设置

EVAL-CN0376-SDPZ评估板通过120引脚对接连接器连接EVAL-SDP-CB1Z SDP板，两个板上均有这种连接器。

CN-0376评估软件和SDP板支持用PC分析数据。

对P3连接器施加一个4.5 V到36 V（标称值24 V）范围内的电压。 务必将P8跳线设为EXT（默认），以便通过P3电源为电路板供电。

外部控制器也可用来与评估板通信（通过PMOD接头进行SPI通信），以及为评估板供电。 若需要，可将P8跳线设为VCC_PMOD，以便通过PMOD连接器为评估板提供3.3 V电源。

精密电压和电阻源可用作模拟前端的输入，从而评估系统性能。 也可使用热电偶或RTD仿真器。

图8显示了EVAL-CN0376-SDPZ电路评估板的实物照片。

责任编辑：gt