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評估和設(shè)計(jì)支持 電路評估板 CN0328評估板(EVAL-CN0328-SDPZ) 系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z) 設(shè)計(jì)和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優(yōu)勢 完全隔離式4通道多路復(fù)用HART模擬輸出電路 圖1所示電路將AD5755-1(四通道電壓和電流輸出DAC，帶動(dòng)態(tài)功率控制)和AD5700-1 HART調(diào)制解調(diào)器結(jié)合了起來，結(jié)果打造出一種完全隔離式多路復(fù)用HART模擬輸出解決方案。電源既可由板載變壓器隔離電路提供(±13 V和+5.2 V輸出，依負(fù)載電流而定)，也可由連接到端子板的外部電源提供。該電路適合可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊，這些模塊要求多個(gè)HART兼容型4 mA至20 mA電流輸出及單極性或雙極性電壓輸出。同時(shí)還包括外部瞬變保護(hù)電路，這對惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用極其重要。 AD5755-1 DAC可通過軟件配置，允許用戶輕松編程輸出范圍及用于動(dòng)態(tài)電源控制所需要的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)置。通過該DAC可以訪問所有內(nèi)部控制寄存器，包括壓擺率控制寄存器，該寄存器對采用HART通信協(xié)議的應(yīng)用至關(guān)重要。 AD5700-1是業(yè)內(nèi)功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器。它充當(dāng)一款HART頻移鍵控(FSK)半雙工調(diào)制解調(diào)器，集成所有必要的信號檢測、調(diào)制、解調(diào)和信號發(fā)生功能。內(nèi)置一個(gè)精度為0.5%的內(nèi)部振蕩器，從而降低了電路板空間要求和成本。AD5700-1采用標(biāo)準(zhǔn)的UART接口。 數(shù)字隔離以基于ADI公司iCoupler技術(shù)的四通道和雙通道ADuM3481/ADuM3210數(shù)字隔離器元件實(shí)現(xiàn)。iCoupler技術(shù)的使用降低了基于光隔離器的解決方案通中額外外部元件的需求。外部變壓器用于將功率傳輸?shù)礁綦x柵的另一端。ADG759在四個(gè)模擬輸出通道上提供了多路復(fù)用功能，由此可實(shí)現(xiàn)HART通信。它根據(jù)2位二進(jìn)制地址線A0和A1所確定的地址，將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出。禁用時(shí)，所有通道均關(guān)斷。提供旁路鏈路，以便能靈活地繞開多路復(fù)用器。 圖1. CN0328頂層框圖 圖2. 集成變壓器隔離電源解決方案的4通道多路復(fù)用HART模擬輸出電路(簡化原理圖： 未顯示所有連接和去耦) 電路描述 對于工業(yè)控制模塊，標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出電壓和電流范圍包括±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。電壓輸出范圍還提供20%的超范圍特性。AD5755-1支持所有這些范圍，是一種高精度、全集成、低成本的單芯片解決方案。每個(gè)DAC通道都有一個(gè)增益(M)寄存器和一個(gè)失調(diào)(C)寄存器，用于消除整個(gè)信號鏈的增益和失調(diào)誤差。 電流輸出和電壓輸出通過獨(dú)立引腳提供，任何時(shí)候僅一個(gè)輸出處于有效狀態(tài)，因而允許將兩個(gè)輸出引腳連在一起并接到單個(gè)引腳上。當(dāng)使能電流輸出時(shí)，電壓輸出處于三態(tài)模式；當(dāng)使能電壓輸出時(shí)，電流輸出為三態(tài)模式。模擬輸出受短路和開路保護(hù)。 AD5755-1支持內(nèi)部或外部精密電流設(shè)置電阻用于電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。輸出電流值在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性取決于RSET值的穩(wěn)定性。作為提高輸出電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性的一種方法，可將一個(gè)外部15 kΩ低漂移電阻連接到AD5755-1的RSET_X引腳，以取代內(nèi)部電阻。外部電阻通過DAC控制寄存器進(jìn)行選擇。高精度測量通過兩種選項(xiàng)進(jìn)行評估。 圖3. 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路 精密基準(zhǔn)電壓源的選擇 AD5755-1有一個(gè)片內(nèi)10 ppm/°C(最大值)基準(zhǔn)電壓源。為了提高在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的性能，該設(shè)計(jì)采用一個(gè)ADR02基準(zhǔn)電壓源，其最大漂移為3 ppm/°C(B級，SOIC封裝)�；鶞�(zhǔn)輸入端的電壓用于為DAC內(nèi)核提供經(jīng)緩沖的基準(zhǔn)電壓。因此，任何基準(zhǔn)電壓誤差都會反應(yīng)到的輸出端。 ADR02是一款5 V精密基準(zhǔn)電壓源，允許高達(dá)36 V的輸入電壓。其最大精度誤差為0.06%，最大溫度漂移為3 ppm/°C(B級，SOIC封裝)。該漂移在工業(yè)溫度范圍內(nèi)會貢獻(xiàn)大約0.02%誤差。其長期漂移為50 ppm(典型值)，0.1 Hz至10 Hz噪聲指標(biāo)為10μ Vp-p(典型值)。 動(dòng)態(tài)功率控制 AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器電路的動(dòng)態(tài)電源控制功能，在電流輸出模式下可降低功耗。多數(shù)PLC電流輸出電路都采用一個(gè)固定電壓源，以滿足整個(gè)負(fù)載電阻值范圍內(nèi)的順從輸出電壓要求。例如，在驅(qū)動(dòng)20 mA時(shí)，一個(gè)負(fù)載為750 Ω的4 mA至20 mA環(huán)路就要求順從電壓不低于15 V。但在將20 mA驅(qū)動(dòng)至50Ω負(fù)載時(shí)，則只需要1 V的順從電壓。如果在驅(qū)動(dòng)50 Ω負(fù)載時(shí)，15 V的順從電壓保持不變，則會浪費(fèi)20 mA × 14 V = 280 mW的功率。 AD5755-1電路通過檢測輸出電壓，調(diào)節(jié)順從電壓，不論負(fù)載電阻有多大，只允許少量的裕量電壓，由此消除了這種功率損失。AD5755-1最多可以將24 mA驅(qū)動(dòng)至1 kΩ的負(fù)載。 DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理 AD5755-1內(nèi)置4個(gè)獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于為各個(gè)通道的VBOOST_X電源電壓提供動(dòng)態(tài)控制(參見圖3)。圖4所示為DC-DC電路所需要的分立元件。 圖4. DC-DC電路 建議在CDCDC之后放置一個(gè)10 Ω、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會消耗少量電能，但會減少BOOST_X電源上的紋波。 DC-DC轉(zhuǎn)換器采用一種恒頻、峰值電流模式控制方案，以將4.5 V至5.5 V的AVCC輸入升壓，從而驅(qū)動(dòng)AD5755-1輸出通道。這些器件設(shè)計(jì)用于工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，占空比小于90%(典型值)。 啟用通道電流輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換器將VBOOST_X電源調(diào)節(jié)至7.4 V (±5%)或(IOUT_X × RLOAD + 裕量)(取較大值)。在電流輸出模式下，若輸出被禁用，轉(zhuǎn)換器將把VBOOST_X電源調(diào)節(jié)至7.4 V (±5%)。在電壓輸出模式下，若輸出被禁用，轉(zhuǎn)換器將把VBOOST_X電源調(diào)節(jié)至+15 V (±5%)。有關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器工作情況的詳情，請參見AD5755-1數(shù)據(jù)手冊。 HART耦合 AD5755-1有四個(gè)CHART引腳，分別對應(yīng)于四個(gè)輸出通道。HART信號可以耦合至這些引腳，并出現(xiàn)在對應(yīng)的電流輸出端(如果該輸出已使能)。表1給出了CHART引腳上的HART信號的推薦輸入電壓。如果使用這些電壓，電流輸出應(yīng)符合HART幅度要求。圖5所示為將HART信號衰減和耦合至AD5755-1 HART輸入的推薦電路。 圖5. 耦合HART信號 為了確保1.2 kHz和2.2 kHz HART頻率不會在輸出端大幅衰減，C1 + C2必須達(dá)到某一最小值。推薦值為：C1 = 22 nF，C2 = 47 nF。為了達(dá)到HART的模擬變化速率要求，必須以數(shù)字方式控制輸出的壓擺率。 數(shù)字壓擺率控制 AD5755-1的壓擺率控制特性允許用戶控制輸出值的變化速率。該特性在電流和電壓輸出通道上均可用。通過禁用壓擺率控制特性，輸出值以受輸出驅(qū)動(dòng)電路和所連負(fù)載限制的速率變化。通過壓擺率控制寄存器的SREN位使能壓擺率特性后， 輸出以壓擺率控制寄存器可以訪問的SR_CLOCK和SR_STEP兩個(gè)參數(shù)所定義的速率，在兩個(gè)電平值之間擺動(dòng)。 在以下等式中，壓擺率為步長、更新時(shí)鐘頻率和LSB大小的函數(shù)。 其中： Slew Time用秒表示。 Output Change 表示為A(針對IOUT_X)或V(針對VOUT_X)。 瞬態(tài)電壓保護(hù) AD5755-1內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，可防止器件在一般工作條件下受損。但是，工業(yè)控制環(huán)境可能會使I/O電路遭受高得多的電壓瞬變。為了防止AD5755-1受到過高的電壓瞬變，需要把一個(gè)24 V瞬變電壓抑制器(TVS)置于IOUT/VOUT連接上，如圖6所示。為提供進(jìn)一步保護(hù)，IOUT_X/VOUT_X引腳與VBOOST_x和AVSS電源引腳之間連接有鉗位二極管。另外還使用一個(gè)5 kΩ限流電阻，它與+VSENSE_X輸入端串聯(lián)， 用以將瞬變事件期間的電流限制在合理范圍內(nèi)。這種情況下，輸入端具有更高的瞬態(tài)電壓保護(hù)功能，因此即使是在要求最苛刻的工業(yè)環(huán)境中，也無需額外的保護(hù)電路。AD5700HART調(diào)制解調(diào)器建議采用包含150 kΩ電阻的外部帶通濾波器，這樣可以將電流限制在足夠低的水平，以滿足內(nèi)在安全要求。 圖6. 輸出瞬變電壓保護(hù) 輸入電源保護(hù) 通過一個(gè)2線或3線接口，把一個(gè)24 V DC穩(wěn)壓電流連接到電路板。該電源必須采取故障和電磁干擾(EMI)保護(hù)措施，如圖7所示。 圖7. 輸入電源瞬變電壓保護(hù) VR1、VR2、VR3和VR4為壓敏電阻，F(xiàn)1為正溫度系數(shù)電阻。該電路確保評估系統(tǒng)能夠承受電源端口可能產(chǎn)生的任何干擾。 24 V輸入電源驅(qū)動(dòng)ADP1621 PWM升壓控制器。該控制器驅(qū)動(dòng)3抽頭變壓器，后者提供隔離功能并產(chǎn)生AVDD (+15 V)、AVSS (-15 V)和AVCC (+5 V)。通過PS2801-1光耦合器提供反饋。 ADP1621電源輸入電壓范圍為2.9 V至5.5 V，在使用小信號NPN調(diào)整管或單個(gè)電阻時(shí)，也可支持更高的輸入電壓。開關(guān)頻率由外部電阻設(shè)置，范圍為100 kHz至1.5 MHz。 各種負(fù)載條件下的AVDD、AVSS和AVCC供電軌電壓如表2所示。 如果不使用隔離式開關(guān)電源電路，J5和J11端子板提供了一種替代方案。如果使用這些端子板，則要移除LK2至LK4。 數(shù)字隔離 ADuM3481和ADuM3482為3.75 kV四通道數(shù)字隔離器，采用小型20引腳SSOP封裝(7.2 mm × 7.8 mm)。隔離器內(nèi)核工作電壓范圍為3.0 V至5.5 V，而I/O電源范圍為1.8 V至5.5 V。這些器件可用于直接與1.8 V邏輯器件接口。該設(shè)計(jì)中的ADuM3481用于為AD5755-1隔離SPI信號，而ADuM3482則用于為AD5700-1HART調(diào)制解調(diào)器隔離UART信號。雙通道ADuM3210用于隔離ADG759四通道多路復(fù)用器的地址線。 常見變化 對于只要求電流輸出的應(yīng)用，可用AD5757替代AD5755-1。如果需要的分辨率低于16位，則可使用12位的AD5737。 可用AD5700調(diào)制解調(diào)器取代AD5700-1。但需要一個(gè)外部晶振或者CMOS時(shí)鐘，因?yàn)锳D5700并不具備AD5700-1提供的內(nèi)部振蕩器選項(xiàng)。 電路評估與測試 基本測試設(shè)置的框圖如圖8所示。 圖8. 測試設(shè)置功能框圖 設(shè)備要求 ● EVAL-CN0328-SDPZ評估板 ● CN0328評估軟件 ● EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP-B) ● PC (Windows 32位或64位) ● 24 V電源 ● 精密電壓表，如Agilent 3458A ● 數(shù)字測試濾波器，如HCF_TOOL-31(可從HART通信基金會獲得) ● 4個(gè)各500 Ω的精密負(fù)載電阻 ● 示波器，Tektronix TDS2024B或等效器件 鏈路配置設(shè)置 默認(rèn)鏈路選項(xiàng)如表3所示。默認(rèn)情況下，評估板配置為通過變壓器隔離電源供電。AD5755-1的默認(rèn)基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)為外部基準(zhǔn)電壓源，由ADR02(位置B的LK1)供電。默認(rèn)情況下不使用LK10和LK24，因?yàn)檫@些鏈路會形成ADG759的旁路。IOUT_x和VOUT_x在默認(rèn)情況下短接在一起(LK20、LK22、LK23和LK26)。 電源配置 默認(rèn)情況下，評估板配置為由變壓器隔離電源供電，因而，鏈路LK2至LK5插入。如果端子板用于為電路供電，則必須提供以下電源： ● 為連接器J5上的AVDD/AVSS提供±15 V。該電源同時(shí)為AD5755-1和ADR02基準(zhǔn)電壓源供電。 ● 提供給連接器J11上的AVCC的4.5 V至5.5 V電源，用于為AD5755-1的AVCC供電。 ● 使用LK5時(shí)，EXT_AVCC電源同時(shí)為DVDD供電。DVDD用于為AD5755-1的數(shù)字電源供電，并為AD5700-1 HART調(diào)制解調(diào)器、ADG759多路復(fù)用器和隔離器件的副邊供電�；蛘呖赏ㄟ^連接至J1的外部電源為DVDD供電(2.7 V至5.5 V)。 軟件安裝 評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)、Vista(32位或64位)，或Windows 7(32位或64位)。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。 請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB 端口，確保PC能夠正確識別評估系統(tǒng)。 1. 使用附帶的電纜，通過PC的USB端口連接EVAL-SDP-CB1Z。 2. 將EVAL-CN0328-SDPZ評估板連接至連接器A。如果使用連接器B，則EVAL-SDP-CB1Z的UART將無法正常工作。 3. 對J9連接器施加24 V電壓，使EVAL-CN0328-SDPZ上電。 4. 啟動(dòng)EVAL-CN0328-SDPZ軟件，然后確認(rèn)出現(xiàn)的所有對話框。這樣就完成了安裝。 軟件 主軟件窗口如圖10所示。開始時(shí)用設(shè)置選項(xiàng)卡按建議方式設(shè)置AD5755-1，先設(shè)置DC-DC控制設(shè)置，然后設(shè)置DAC控制設(shè)置，其后把所需代碼加載到數(shù)據(jù)寄存器中，最后使能輸出(見圖9)。設(shè)置選項(xiàng)卡中提供了一個(gè)快速設(shè)置功能，以便對AD5755-1進(jìn)行正確的編程。對于HART通信而言，確保支持電流輸出范圍。然后可用主選項(xiàng)卡來發(fā)布HART命令和/或更新AD5755-1輸出代碼。 圖9. 正確使能輸出的編程序列 圖10. 評估軟件設(shè)置選項(xiàng)卡 圖11. 評估軟件主選項(xiàng)卡 靜默期間的輸出噪聲測試 當(dāng)HART器件沒有進(jìn)行傳輸(靜默)時(shí)，不應(yīng)將HART擴(kuò)展頻帶中噪聲耦合到網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過高可能會干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備對HART信號的接收。 對于在500 Ω負(fù)載上測得的電壓噪聲，其包含的HART擴(kuò)展頻帶中的寬帶噪聲和相關(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外，該頻帶外的噪聲不應(yīng)超過138 mV rms。 此噪聲通過在500 Ω負(fù)載上連接HCF_TOOL-31濾波器(可從HART通信基金會獲得)并將濾波器輸出連接到真均方根測量儀來測量。用示波器來檢查輸出波形。 與前面的線性度測試類似，該測試也是同時(shí)使用線性和隔離開關(guān)電源進(jìn)行的。用線性電源獲得的噪聲結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過隔離開關(guān)電源取得的結(jié)果，但兩種結(jié)果均在必要的HART額定值之內(nèi)。 圖16. HCF_TOOL-31輸入端靜默波形下的輸出噪聲 模擬變化率 此規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)電流時(shí)，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號。最差情況下的模擬輸出電流變化一定不能產(chǎn)生高于15 mV峰值電壓的干擾，此數(shù)值在HART擴(kuò)展頻帶下，通過對500 Ω負(fù)載進(jìn)行測量得到。符合這一要求可確保模擬信號的最大帶寬處于規(guī)定的直流至25 Hz頻帶中。 對于該測試，HCF_TOOL-31再次連接500 Ω負(fù)載，就如靜默期間噪聲測試中一樣；同時(shí)將一個(gè)示波器連接至其輸出端。這次，不是將AD5755-1輸出設(shè)為一個(gè)固定的輸出電流，而是將AD5755-1編程為輸出周期波形，從4 mA切換至20 mA。為了達(dá)到要求的系統(tǒng)規(guī)格，通過AD5755-1的數(shù)字壓擺率控制功能對輸出電流變化幅度進(jìn)行限制。該功能詳見AD5755-1數(shù)據(jù)手冊的“數(shù)字壓擺率控制”部分。在該測試中，SR_CLOCK和SR_STEP分別設(shè)為64 kHz和16 LSB，得到64 ms的壓擺時(shí)間，結(jié)果如圖17所示。通道1顯示AD5755-1 IOUT_A在4 mA至20 mA范圍內(nèi)的信號階躍，這是在500 Ω負(fù)載下檢測的，并且連接到帶通濾波器的輸入端。濾波器的輸出(增益系數(shù)為10)可在通道2上看到。峰值在前面提到的150 mV峰值限值之內(nèi)。 OUT_A)"> 圖17. 模擬變化率波形(IOUT_A) |
