用于過程控制應(yīng)用的全可編程通用模擬前端電路CN - 0209

在當(dāng)今的電子設(shè)計領(lǐng)域，過程控制應(yīng)用對模擬前端（AFE）的要求越來越高，需要其具備高靈活性、高精度和高可靠性。Analog Devices的Circuits from the Lab參考電路CN - 0209，為過程控制應(yīng)用提供了一個全可編程的通用模擬前端解決方案。

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一、電路概述

CN - 0209電路為過程控制應(yīng)用提供了一個全可編程的通用模擬前端，支持多種輸入類型，包括2 - 、3 - 和4 - 線RTD配置、帶冷端補償?shù)臒犭娕驾斎?、單極性和雙極性輸入電壓以及4 mA至20 mA輸入。

1. 連接器件

該電路涉及多個關(guān)鍵器件，如ADP1720（高壓、低壓差線性穩(wěn)壓器）、ADG442（LC 2 MOS四通道單刀單擲開關(guān)）、AD8275（G = 0.2，電平轉(zhuǎn)換ADC驅(qū)動器）等。這些器件協(xié)同工作，實現(xiàn)了電路的各項功能。

2. 電路優(yōu)勢

傳統(tǒng)的模擬輸入模塊常使用跳線來配置輸入，這需要時間、專業(yè)知識和手動干預(yù)。而CN - 0209電路通過軟件可控開關(guān)配置模式，并配備恒流源激勵RTD，還可重新配置熱電偶的共模電壓。此外，該電路采用差分放大器將模擬輸入電壓范圍調(diào)整到Σ - Δ ADC，具有行業(yè)領(lǐng)先的性能和成本優(yōu)勢。由于AD8676和AD8275提供的電壓增益，該設(shè)計特別適用于小信號輸入、各種類型的RTD或熱電偶。

二、電路詳細(xì)描述

1. 電壓測量

該電路支持測量高達(dá)±10 V的單極性和雙極性信號范圍。輸入信號在通過AD7193 ADC轉(zhuǎn)換之前，先經(jīng)過信號調(diào)理階段。AD8676放大器在增益階段之前對輸入進(jìn)行緩沖，AD8275用于對輸入信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并提供增益，使其匹配AD7193的輸入范圍。AD8275的輸出通過連接到其REF引腳的共模電壓進(jìn)行偏置，該電壓由REF194精密4.5 V參考源產(chǎn)生。

2. RTD測量

電路支持2 - 、3 - 和4 - 線RTD配置，這里使用的是1000 Ω鉑（Pt）RTD。最精確的配置是4 - 線RTD。外部200 μA電流源為RTD提供激勵電流，AD7193以增益16運行，以最大化電路的動態(tài)范圍。AD8617放大器在選擇RTD測量模式時配置為電流源，在選擇熱電偶測量時重新配置為閉環(huán)以設(shè)置共模電壓。

3. 熱電偶測量

在熱電偶應(yīng)用中，熱電偶產(chǎn)生的電壓相對于外部提供給ADC的絕對參考進(jìn)行測量。冷端補償使用ADT7310 16位溫度傳感器實現(xiàn)。由于熱電偶信號較小，為了最大化電路的動態(tài)范圍，AD7193在其最高增益范圍128下運行。輸入通道經(jīng)過緩沖，如果需要，可以在前端放置大的去耦電容，以消除熱電偶引線中可能存在的噪聲。

4. 4 mA至20 mA電流測量

電路支持4 mA至20 mA電流測量，電流通過板載檢測電阻轉(zhuǎn)換為電壓。為了在電流測量模式下充分利用ADC的動態(tài)范圍，使用了200 Ω電阻。檢測電阻必須具有低溫度系數(shù)，以避免測量電路中的溫度漂移誤差。

5. 穩(wěn)壓器和參考源選擇

ADP1720被選為5 V穩(wěn)壓器，它是一款特別適用于工業(yè)應(yīng)用的高壓微功率線性穩(wěn)壓器。REF194被選為4.5 V參考源，E級器件在25°C時初始精度為±2 mV，最大漂移為5 ppm/°C，是一種低壓差器件，功耗小于45 μA，性能規(guī)格在 - 40°C至 + 125°C范圍內(nèi)。

6. 隔離

ADuM1400和ADuM1401是基于Analog Devices的iCoupler?技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器，用于在現(xiàn)場側(cè)和系統(tǒng)微控制器之間提供隔離，隔離額定值為2.5 kV rms。

三、電路性能

從表中數(shù)據(jù)可以看出，該電路在不同輸入類型下都能實現(xiàn)較高的有效分辨率，為過程控制應(yīng)用提供了可靠的測量性能。

四、電路評估與測試

1. 所需設(shè)備

• 帶有USB端口和Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows? 7（32位）的PC
• EVAL - CN0209 - SDPZ電路評估板
• EVAL - SDP - CB1Z SDP評估板
• CN0209評估軟件
• +15 V和 - 15 V電源
• RTD溫度傳感器
• 熱電偶

2. 測試步驟

1. 加載評估軟件：將CN0209評估軟件光盤放入PC的CD驅(qū)動器，使用“我的電腦”找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器并打開Readme文件，按照文件中的說明安裝和使用評估軟件。
2. 連接電路板：將EVAL - CN0209 - SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL - SDP - CB1Z評估（SDP）板上標(biāo)記為“CON A”的連接器，使用尼龍硬件通過120引腳連接器兩端的孔牢固固定兩塊板。在電源關(guān)閉的情況下，將 + 15 V電源連接到標(biāo)記為“+15 V”的引腳，將 - 15 V電源連接到標(biāo)記為“ - 15 V”和“GND”的引腳。將SDP板附帶的USB電纜連接到PC的USB端口。
3. 測試操作：對連接到EVAL - CN0209 - SDPZ電路板的±15 V電源供電，啟動評估軟件，將USB電纜從PC連接到SDP板上的USB迷你連接器。建立USB通信后，SDP板可用于發(fā)送、接收和捕獲來自EVAL - CN0209 - SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。

3. 不同測量類型的測試

• 電壓測量：若要測量電壓測量電路的噪聲，將輸入J3和J4都連接到地，然后點擊軟件中匹配通道的按鈕；若要測量電壓，按圖2連接輸入J3和J4，再點擊軟件中相應(yīng)按鈕。結(jié)果以波形和直方圖形式顯示，可使用切換按鈕選擇電壓結(jié)果的刻度。
• RTD測量：若要通過RTD溫度傳感器測量溫度，按圖2連接輸入J1、J2、J3和J4，根據(jù)RTD的2 - 、3 - 或4 - 線配置選擇不同連接方式，然后點擊軟件中匹配的按鈕。波形上方的切換按鈕可用于顯示華氏、攝氏或開爾文溫度。
• 熱電偶測量：若要通過熱電偶測量溫度，按圖2連接輸入J1、J2、J3和J4，選擇使用的熱電偶類型，然后點擊軟件中的TC按鈕。波形上方的切換按鈕可用于顯示華氏、攝氏或開爾文溫度。
• 電流測量：若要測量電流，按圖2連接輸入J5和J6，然后點擊軟件中匹配的按鈕?？墒褂们袚Q按鈕選擇電流結(jié)果的刻度。

五、總結(jié)

CN - 0209電路為過程控制應(yīng)用提供了一個功能強大、靈活且可靠的模擬前端解決方案。其支持多種輸入類型，具有良好的性能和可配置性，通過合理的器件選擇和設(shè)計，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。各位工程師在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求對電路進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的測量效果。大家在使用該電路時，是否遇到過一些特殊的問題或者有什么獨特的優(yōu)化思路呢？歡迎在評論區(qū)分享。