基于AD5422的全隔離單通道電壓與4-20mA輸出帶HART通信電路設計

在工業(yè)自動化領域，可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）對于模擬輸出通道的需求日益增長，不僅要求輸出穩(wěn)定、準確，還需要具備良好的隔離性能和HART通信能力。本文將詳細介紹一款基于AD5422的全隔離單通道電壓與4 - 20mA輸出帶HART通信的電路設計。

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一、電路概述

該電路提供了一個完整的、全隔離的模擬輸出通道，適用于需要標準4 - 20mA HART兼容電流輸出以及單極性或雙極性輸出電壓范圍的PLC和DCS模塊。它為通道間隔離的PLC/DCS輸出模塊或其他需要全隔離模擬輸出的工業(yè)應用提供了靈活的構建模塊，同時在模擬輸出端子上還設有外部保護。

1.1 主要器件

• AD5422：16位電流和電壓輸出DAC，軟件可配置，提供所需的電流和電壓輸出。
• AD5700 - 1：低功耗HART調制解調器，帶有內部RC振蕩器，與AD5422配合形成完整的HART兼容4 - 20mA解決方案。
• ADP2441：36V、1A同步降壓DC - DC調節(jié)器，將24V電源降壓至5V，為控制器側電路供電。
• ADuM3471：帶有集成變壓器驅動器和PWM控制器的四通道隔離器，用于電源隔離。
• ADuM3482：小型3.75kV rms四通道數字隔離器，用于隔離AD5700 - 1的UART信號。

二、電路功能與優(yōu)勢

2.1 模擬輸出

AD5422是一款精密的16位DAC，提供可編程電流源和可編程電壓輸出，滿足工業(yè)過程控制應用的需求。它支持多種標準模擬輸出電壓和電流范圍，如±5V、±10V、0V - +5V、0V - +10V、+4mA - +20mA和0mA - +20mA，并且電流輸出和電壓輸出分別通過不同引腳提供。此外，所有電壓范圍都有10%的過范圍功能，電流輸出有0mA - 20mA的過范圍。模擬輸出還具備短路和開路保護功能。

為了獲得更高的溫度性能，該設計使用了ADR02參考，它是一個5V精密參考，允許輸入電壓高達36V，最大精度誤差為0.05%，最大溫度漂移為3ppm/°C。AD5422允許使用內部或外部精密電流設置電阻，本設計使用了內部電流傳感電阻選項，但使用外部15kΩ精密電阻可獲得更高的精度。

2.2 HART兼容性

AD5700 - 1與AD5422配合，形成完整的HART兼容4 - 20mA解決方案。AD5700 - 1的0.5%精密內部振蕩器在通道間隔離應用中節(jié)省了大量空間，因為無需為每個通道使用時鐘晶體。HART調制解調器輸出通過C1和C2衰減，并通過CAP2引腳交流耦合到AD5422。

2.3 隔離電源

AD5422的電壓輸出所需的最大電壓裕量為0.8V，電流輸出最大需要2.5V的裕量。因此，要通過500Ω負載輸出20mA電流，需要大于12.5V的電源。本設計中，最小電源電壓（過溫時）不低于13.5V，提供了一定的裕量。

ADuM347x系列設備是四通道數字隔離器，帶有集成的脈寬調制（PWM）控制器和低阻抗變壓器驅動器。使用這些設備和一個變壓器以及簡單的全波二極管整流器，即可構成一個隔離的DC - DC轉換器，從5.0V或3.3V輸入提供高達2W的穩(wěn)壓隔離電源，無需單獨的隔離DC - DC轉換器。

2.4 輸入電源

電路由24V電源供電，ADP2441將24V降壓至5V，為所有控制器側電路供電。ADP2441具有寬輸入電壓容差，能接受工業(yè)標準的24V電源，并且可以接受高達36V的輸入，便于實現可靠的電源輸入瞬態(tài)保護。此外，它還具有欠壓鎖定（UVLO）、精密使能功能、電源良好引腳和過流限制保護等安全/可靠性功能，在24V輸入和5V輸出時效率可達90%。

2.5 隔離

ADuM3471電源隔離電路包括四個完全隔離的電壓通道，隔離等級為2.5kV，用于隔離AD5422的四條數據線（SCLK、LATCH、SDIN和SDO）。SDO線的隔離雖然不是電路運行的必需條件，但可以訪問診斷和故障功能以及寄存器回讀。ADuM3482是一個3.75kV四通道數字隔離器，用于隔離AD5700 - 1 HART調制解調器的UART信號。

2.6 過壓保護

電路允許連續(xù)的+36V和 - 28V直流過壓保護，通過外部保護二極管在過壓情況下上拉或下拉電源，二極管與輸出端子之間的電阻限制峰值電流。輸出端子的最大/最小電壓受連接到輸出或電源的任何電路的擊穿電壓限制。

2.7 瞬態(tài)電壓保護

AD5422包含ESD保護二極管，可防止正常操作中的損壞。為了保護AD5422免受過高的電壓瞬變影響，可能需要外部功率二極管和浪涌電流限制電阻。在電流輸出路徑和電壓輸出路徑中，電阻值的選擇需要考慮輸出電壓的合規(guī)性和保護二極管的功率額定值。此外，還可以使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）或跨接二極管提供進一步的保護。

三、常見變化

3.1 單電源方案

當應用只需要4 - 20mA電流輸出時，可以使用單電源方案。例如，AD5422的正AVDD電源可以為24V，輸出合規(guī)性為24V - 2.5V = 21.5V，在20mA輸出電流下，負載電阻最高可達1kΩ。

3.2 不同分辨率和功能的器件選擇

對于不需要16位分辨率的應用，可以使用12位的AD5412；對于只需要電流輸出的應用，可以使用AD5420（16位）和AD5410（12位）；對于需要在同一端子上同時輸出電壓和電流的應用，可以參考Circuit Note CN - 0278中的技術。

3.3 參考器件選擇

如果不需要過壓保護，可以使用最大電源電壓較低的參考器件，如ADR4550或ADR445。

3.4 隔離器選擇

ADuM347x隔離器提供了多種輸入/輸出通道配置，有最大數據速率為1Mbps（A等級）或25Mbps（C等級）的版本可供選擇。

3.5 HART調制解調器選擇

可以使用AD5700調制解調器代替AD5700 - 1，但需要外部晶體或CMOS時鐘。

四、電路評估與測試

4.1 所需設備

• EVAL - SDP - CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP - B）
• EVAL - CN0321 - SDPZ評估板和軟件
• 一臺PC（Windows 32位或64位）
• 24V電源
• 精密電壓表，如Agilent 34410A
• 數字測試濾波器（如HCF_TOOL - 31）
• 500Ω精密負載電阻
• 示波器，如Tektronix DS1012B或等效設備

4.2 測試設置

按照測試設置功能圖進行連接，安裝評估軟件后，連接評估板和SDP板到PC的USB端口，為評估板施加24V電源，啟動軟件完成安裝。

4.3 測試結果

• 絕對精度性能：在電流輸出模式下，使用內部RSEI時，AD5422的總未調整誤差（TUE）在25°C時典型值為0.08% FSR；在電壓輸出模式下，TUE在25°C時典型值為0.01% FSR。測量結果表明，電路的電流和電壓輸出誤差均在預期范圍內。
• 積分非線性（INL）性能：測試結果顯示，使用開關電源與線性電源相比，系統(tǒng)精度沒有明顯損失，平均輸出噪聲也沒有顯著差異。
• HART合規(guī)性：通過輸出靜音期間的噪聲測試和模擬變化率測試，驗證了電路符合HART物理層規(guī)范。在輸出靜音期間，負載上的電壓噪聲在HART擴展頻帶內的組合寬帶和相關噪聲不超過2.2mV rms，帶外噪聲不超過138mV rms；模擬輸出電流的最大變化率不會干擾HART通信，最壞情況下的電流變化在HART擴展頻帶內產生的干擾不超過15mV峰值。

五、總結

這款基于AD5422的電路設計為工業(yè)控制應用提供了一個高性能、全隔離的模擬輸出解決方案，具備良好的精度、穩(wěn)定性和HART通信能力。通過合理選擇器件和優(yōu)化電路設計，可以滿足不同工業(yè)應用的需求。在實際設計中，工程師可以根據具體要求對電路進行調整和優(yōu)化，以達到最佳性能。你在實際應用中是否遇到過類似電路設計的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。