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简化用于过程控制的模拟输入模块的设计

2019-05-29
Cathal Casey,ADI公司应用工程师

简介

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5 V电源设计架构。单个5 V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5 V电源解决方案的局限性。

集成前端

AD4111是一款24位Σ-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久久99re热在线播放的专有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5 V或3.3 V电源下工作。电压输入指定为±20 V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±50 V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。

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图1.AD4111功能框图。

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3.3 V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。

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。

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图2.典型高端解决方案。

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图3.典型低端解决方案。

EMC测试

久久99re热在线播放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3.3 V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LFCSP封装,之前需要完整复杂PCB的模块现在可由单个器件替代。

作者简介

Cathal Casey是爱尔兰科克ADI公司精密转换器技术小组的应用工程师,主要关注用于直流测量的精密Σ-Δ型ADC。他从科克大学毕业后,于2016年加入ADI公司。他拥有电气电子工程学士学位。联系方式:cathal。casey@analog。com。


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