简化用于过程控制的模拟输入模块的设计

Cathal Casey

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，主要权衡因素通常是性价比。传统上，此应用领域使用双极性±15 V 电源轨来提供有源前端组件，用于输入信号的衰减或增益。这会影响物料清单(BOM)的成本，而创建隔离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5V 电源设计架构。单个5V电源轨显著降低了模拟前端隔离电源设计的复杂性。但它会引入其他痛点，可能降低测量解决方案的精度。AD4111 进行了电压和电流测量所需的大量整合工作，并解决了5V 电源解决方案的局限性。

图1. AD4111功能框图。

集成前端

AD4111是一款24位∑-Δ型ADC，通过实现创新而简单的信号链，缩短了开发时间，降低了设计成本。它利用ADI的专有iPassives™技术，将模拟前端和ADC融合在一起。这使得 AD4111 能够接受 ±10 V 电压输入和 0 mA 至 20 mA 电流输入，同时无需外部组件即可在单个 5V 或 3.3V 电源下工作。电压输入指定为 ±20V 的超量程，在此范围内，该器件仍可在电压引脚上提供有效转换和 ±50V 的绝对最大规格。电流输入指定为 -0.5 mA 至 24 mA 的范围，可实现接近0 mA的准确电流测量，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，进一步节省电路板空间和BOM成本。5 V 设计要求每个电压输入必须有一个高阻抗分压器，这会占用电路板空间。离散解决方案的设计需要权衡精密电阻的成本与精度。为了解决这个问题，AD4111在每个输入端采用了一个高阻抗精密分压器，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，一般是对15 V 电源轨使用高阻抗电阻，将开路连接拉至超出范围的电压。AD4111 采用5 V 或3.3V 电源提供独特开路检测功能，克服了这一问题。此方法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，前端无需上拉电阻，因此也无需15 V电源，如图2所示。消除±15 V 电源减少了隔离电路的复杂性、面积和辐射。对于不需要开路检测的应用，可以使用另一种通用的AD4112。 该器件具有AD4111的所有优点，但没有开路检测。

图2. 典型高端解决方案。

系统级解决方案

AD4111 集成了基准电压和内部时钟，有助于进一步减小电路板尺寸并降低BOM成本，同时允许使用外部组件，应付需要更高精度和更低温度误差转换的情况。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中突出显示了可完全被AD4111 取代的信号链的比例。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，精度可能足以省略任何额外校准。在现有的高精度解决方案中，通常按通道对模块进行校准。AD4111 采用高匹配输入设计，因此校准一个输入便可所有输入上提供类似的精度。

图3. 典型低端解决方案。

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)的情况。在设计具有电磁兼容性(EMC)功能的输入模块时，这会增加复杂性，因为大多数设备的额定值不适用于EMC，因此设计输入保护和滤波电路就变得复杂起来。这可能显著增加设计和测试开发时间。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 已经被设计成了一个印刷电路板(PCB)，演示了一个经过验证的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 标准集。该电路板还针对 CISPR 11 进行了评估，其辐射发射水平远低于A类限值。有关 AD4111 EMC PCB 的更多信息，请参阅AN-1572。本应用笔记详细介绍了所用测试程序的所 有必要信息，以及为 AD4111 设计 EMC 认证输入模块的电路板设计原理图和布局

结论

AD4111是一款高度集成的系统级ADC，具有全面的可配置性。它能够接受±10 V电压输入和0 mA 至20 mA 电流输入，采用5 V 或3.3V 单电源供电，具有开路检测功能和许多其他功能，为模拟输入模块设计提供独特的解决方案。它采用6 mm × 6 mm、40 引脚 LFCS P封装，之前需要完整复杂PCB的模块现在可由单个器件替代。

审核编辑：郭婷