問題:

 

如何設計微控製器控製的隔離式16位輸出模塊？

 

RAQ Issue: 184

答案:

 

使用 AD5422 DAC的3芯片解決方案。

 

無論是在建築物中還是在生產車間，如今在任何地方都需要可編程控製器來調節各種生產過程、機器和係統。這就涉及到與相關器件連接的可編程邏輯控製器(PLC)或分布式控製係統(DCS)模塊。為了控製這些器件，PLC或DCS模塊通常具有提供電流輸出、電壓輸出或二者的組合的輸出模塊。工業控製模塊的標準模擬輸出電壓和電流範圍為±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。特別是在工業領域，通常需要對微控製器和輸出外設進行電氣隔離。

 

傳(chuan)統(tong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)采(cai)用(yong)分(fen)立(li)式(shi)設(she)計(ji)，可(ke)以(yi)將(jiang)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)
，或(huo)提(ti)供(gong)不(bu)同(tong)的(de)模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)，並(bing)實(shi)現(xian)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)。但(dan)是(shi)，與(yu)集(ji)成(cheng)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)相(xiang)比(bi)，分(fen)立(li)式(shi)設(she)計(ji)有(you)許(xu)多(duo)缺(que)點(dian)。例(li)如(ru)，組(zu)件(jian)數(shu)量(liang)多(duo)

，導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)，電(dian)路(lu)板(ban)尺(chi)寸(cun)大(da)，成(cheng)本(ben)高(gao)。短(duan)路(lu)耐(nai)受(shou)能(neng)力(li)甚(shen)至(zhi)故(gu)障(zhang)診(zhen)斷(duan)等(deng)其(qi)他(ta)特(te)性(xing)更(geng)凸(tu)顯(xian)了(le)這(zhe)些(xie)缺(que)陷(xian)。

 

較好的解決方案是在單芯片上盡可能整合更多的功能
，例如，ADI公司的高精度16位DAC AD5422。除了數模轉換，它還提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，能夠滿足工業過程控製應用的需求。

 

圖1顯示可完全隔離控製輸出模塊的模擬輸出級的示例電路。它特別適合需要4 mA至20 mA標準電流輸出和單極性或雙極性輸出電壓範圍的過程控製應用中的PLC和DCS模塊。這裏AD5422與 ADuM1401 四通道數字隔離模塊組合使用。

 

16位DAC AD5422的輸出可通過串行外設接口(SPI)配置。該模塊還集成診斷功能，這在工業環境中很有用。微控製器和DAC之間所需的絕緣電阻可通過ADuM1401實現，ADuM1401的四個通道用於與AD5422實現SPI連接：三個通道（LATCH

、SCLK和SDIN）傳輸數據
，第四個通道(SDO)接收數據。

 

特別是在工業應用中，必須提供能夠抗高幹擾電壓的可靠輸出。IEC 61000等標準中規定了可靠性要求
，例如，其中指定了有關電磁兼容性(EMC)的要求。為了符合這些標準，輸出端需要有額外的外部保護電路。一種可能的保護電路如圖2所示。

 

圖1.使用AD5422和ADuM1401實現模擬輸出級隔離控製的簡化示例電路。

 

圖2.用於AD5422輸出的符合IEC 61000標準的保護電路。

 

電流輸出(IOUT)可以在4 mA至20 mA或0 mA至20 mA範圍內選擇設定。電壓輸出通過單獨的VOUT引腳提供，該引腳的電壓範圍可配置為0 V至5 V
、0 V至10 V
、±5 V或±10 V。所有電壓範圍的超量程均為10%。兩個模擬輸出都具有短路和開路保護功能，可以驅動1 μF的容性負載和50 mH的感性負載。

 

AD5422需要10.8 V至40 V的模擬電源(AVDD)。對於數字電源電壓(DVCC)，則需要2.7 V至5.5 V。或者

，DVCC也可作為係統中其他組件的電源引腳或上拉電阻的終端。為此，DVCC_SELECT引腳應浮空
，並向DVCC引腳施加內部4.5 V LDO穩壓器電壓。最大可用電源電流為5 mA。在所示電路中，DVCC用於向ADuM1401的電氣隔離端供電。

 

使用ADR4550 外部基準電壓源可從16位DAC獲取高精度輪換結果。這是一款高精度
、低功耗
、低噪聲基準電壓源
，最大初始精度為0.02%，具有出色的溫度穩定性和低輸出噪聲。

 

本文所示的電路特別適用於PLC或DCS模塊的輸出模塊，這些模塊同時提供電流和電壓輸出
，並且必須符合IEC 61000等EMC標準。

 

參考資料

 

"AN-1519：利用單芯片電壓和電流輸出DAC AD5422及數字隔離器ADuM1401構建16位全隔離輸出模塊。" ADI公司，2018年2月。

 

 

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