适用于PLC/DCS的通道间隔离温度输入电路设计解析

一、引言

在工业自动化系统中，可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）对于温度输入的精度、稳定性和隔离性有较高要求。Circuits from the Lab参考设计CN - 0376为解决这些需求提供了一个优秀的方案。本文将深入解析该电路的设计、功能、性能及测试等方面，为电子工程师在相关设计中提供参考。

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二、电路概述

2.1 电路功能与优势

CN - 0376电路提供了双通道、通道间隔离的热电偶或热电阻（RTD）输入，适用于PLC和DCS。其高度集成的设计采用了低功耗、24位Σ - Δ模数转换器（ADC），无需额外的信号调理IC。每个通道可接受热电偶或RTD输入，整个电路由标准24V总线供电，且每个通道尺寸仅为27mm × 50mm，节省空间。

2.2 相关器件

器件名称	描述
AD7124 - 4	8通道、低噪声、低功耗、24位、带PGA和参考的Σ - Δ ADC
ADuM5010	2.5 kV rms隔离式DC - DC转换器
ADuM1441	微功耗四通道数字隔离器
ADP2441	36V、1A同步降压DC - DC调节器

三、电路详细设计

3.1 核心器件AD7124 - 4

AD7124 - 4具有可编程增益阵列（PGA）和电压参考，提供了实现灵活输入所需的完整功能，可连接热电偶或RTD传感器。它具有片上参考、PGA、激励电流、偏置电压发生器和灵活的滤波功能，能增强50Hz和60Hz的抗干扰能力。其5mm × 5mm的LFCSP封装适合通道间隔离设计，还具备多种诊断功能。

3.2 隔离与电源电路

• 隔离：ADuM1441用于隔离AD7124 - 4的串行外设接口（SPI），每个通道空闲时仅消耗4.8μA，节能高效。ADuM5010采用isoPower技术提供3.3V隔离电源，其电路中使用铁氧体磁珠抑制电磁干扰（EMI），并搭配解耦电容。
• 电源：ADP2441可接受工业标准24V电源，将输入电压降至3.3V为控制器侧电路供电。它具有可编程软启动、稳压输出、开关频率和电源良好指示等功能，还具备欠压锁定（UVLO）、输出短路保护和热关断等保护特性。

3.3 输入设计

• 输入滤波：输入共模噪声滤波由R1、C1和R2、C2提供，截止频率约为50kHz；差分噪声滤波由R1、R2和C3提供，截止频率约为2.5kHz。需调整滤波器截止频率以满足系统带宽要求，共模滤波器截止频率约为差分滤波器的10倍。
• 输入保护：在AD7124 - 4的每个输入路径上放置3kΩ电阻，限制30V直流过压时的电流小于10mA。

3.4 RTD输入

该电路可连接2线、3线或4线RTD，能测量高达3.92kΩ的电阻，适用于Pt100和Pt1000 RTD。采用电流激励，通过与3.92kΩ参考电阻（RREF）的比例测量来确定RTD电阻。不同线制下激励电流设置不同，4线模式下激励电流为250μA，3线模式下AIN0和AIN4的激励电流各为100μA。为提高测量分辨率，可使用PGA增益，对于Pt100 RTD建议增益为8。同时，主机控制器需在软件中对RTD进行线性化处理以实现所需精度。

3.5 热电偶测量

热电偶连接在AIN +和AIN - 端子之间，AIN4引脚为热电偶提供1.65V偏置电压。热电偶电压在AIN1和AIN3之间测量，由于热电偶信号非常小，通常建议PGA增益为32或64。使用10kΩ NTC热敏电阻进行冷端补偿，通过公式计算NTC电阻值。为提高测量精度，NTC热敏电阻应尽量靠近端子块，且主机控制器需在软件中对热电偶和NTC进行线性化处理。

3.6 诊断功能

AD7124 - 4提供了多种系统级诊断功能，包括参考检测、输入过压/欠压检测、SPI通信CRC、内存映射CRC和SPI读写检查等，可实现对输入通道的高度故障覆盖。

四、电路功耗与测试

4.1 功耗分析

• ADuM5010通常从控制器侧电源消耗3.3mA电流，效率在满载时仅为27%，因此减少现场侧电流消耗对通道能效影响显著。
• AD7124 - 4在全功率模式（增益 = 32，热电偶偏置、诊断和内部参考启用）下消耗 - 994pA，可通过中功率或低功率模式显著降低功耗。
• ADuM1441现场侧空闲时总消耗约7.2μA，2Mbps运行时消耗552μA。若接口1/8时间处于活动状态，总功耗为75.3μA。
• 输入通道在全功率模式（增益 = 32，内部参考和热电偶偏置启用）下，从控制器侧3.3V电源测量的功耗为7.9mA。

4.2 测试结果

对于热电偶、3线和4线RTD电路的详细性能分析，可参考Circuit Note CN - 0381、CN - 0383和CN - 0384。使用25SPS后置滤波器，AIN +短接到AIN - ，增益 = 32且热电偶偏置启用时，EVAL - CN0376 - SDPZ的直方图显示数据对应17.85位无噪声码分辨率。

五、常见变化与替代方案

5.1 通道扩展

若需要更多通道，可使用AD7124 - 8，它具有8个差分或16个单端输入。AD7792可作为低成本选项，但功能和性能有所降低。

5.2 数据隔离

数据隔离的替代方案可使用SPIsolator™，如ADuM3151，支持高达17MHz的SPI传输，并包含三个通用低速隔离通道。

5.3 冷端补偿

除使用NTC热敏电阻进行冷端补偿外，还可使用ADT7320数字温度传感器，其精度为0.25°C。

六、电路评估与测试

6.1 所需设备

• 带USB端口的PC，运行Windows® Vista（32位）或Windows 7（32位）
• EVAL - CN0376 - SDPZ电路评估板
• EVAL - SDP - CB1Z SDP控制器板
• CN - 0376评估软件
• 精密电压和电阻源，或热电偶或RTD模拟器
• 4.5V至36V直流电源，100mA

6.2 测试设置

EVAL - CN0376 - SDPZ评估板通过120引脚连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z SDP板。使用CN - 0376评估软件和SDP板可通过PC分析数据。将4.5V至36V（标称24V）电压施加到P3连接器，确保P8跳线设置为EXT（默认）。外部控制器可通过PMOD接口与评估板通信和供电。可使用精密电压和电阻源或热电偶、RTD模拟器作为模拟前端输入来评估系统性能。

七、总结

CN - 0376电路为PLC和DCS的温度输入提供了一个高度集成、性能优良的解决方案。其在通道间隔离、功耗控制、输入灵活性和诊断功能等方面具有显著优势。电子工程师在进行相关设计时，可根据实际需求参考该电路的设计思路和器件选择，并结合常见变化和替代方案进行优化。你在实际设计中是否遇到过类似电路的应用问题？欢迎在评论区分享你的经验。