图1所示电路是一款适合过程控制应用的完全可编程通用模拟前端(AFE)。它支持下列输入:2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入。
如今,许多模拟输入模块使用线链路(跳线)来配置客户输入要求,配置和重新配置输入需要时间、知识和手动干预。本电路提供一个用来配置工作模式的软件可控开关以及用来激励RTD的恒流源。本电路也可以重新配置,以便设置热电偶配置的共模电压。一个差分放大器用来调理Σ-Δ ADC的模拟输入范围。本电路以最低的成本提供业界领先的性能。
由于AD8676 和 AD8275提供电压增益,因此该设计特别适合小信号输入、所有类型的RTD或热电偶。
AD7193 是一款24位Σ-Δ型ADC,可配置为四路差分输入或八路伪差分输入。ADuM1400 和 ADuM1401在微控制器与ADC之间提供所需的全部信号隔离。本电路还含有标准外部保护功能,符合IEC 61000标准。
本电路针对过程控制应用提供一款完全可编程的通用模拟前端(AFE),支持2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入,如图2的配置图所示。
串行控制的8通道单刀单掷开关 ADG1414用于配置选定的测量模式。
电压测量
本电路支持最高达±10 V的单极性和双极性信号测量。输入信号先通过一个信号调理级,然后由AD7193 ADC执行转换。AD8676放大器缓冲输入信号,然后由增益级放大。AD8275用来对输入信号进行电平转换,并提供增益,使其符合AD7193的输入范围。与REF引脚相连的共模电压用来偏置AD8275的输出。此电压由4.5 V精密基准电压源 REF194 产生。
RTD测量
如连接表所示,本电路支持2/3/4线RTD配置。此时,传感器是一个1000 Ω铂(Pt) RTD(电阻温度检测器)。最精确的配置是4引脚RTD配置。在所示的应用中,外部200μA电流源提供RTD所需的激励电流,AD7193在16倍增益下工作,使电路的动态范围达到最大。选择RTD测量模式时, AD8617 放大器被配置为电流源。选择热电偶测量时,它在闭环中重新配置,以便设置共模电压。AD8617是一款双通道低噪声放大器,因此它能同时驱动电路板上的两个输入通道。配置电流源的电阻必须具有低温度系数,以免在测量电路中引入温漂误差。
热电偶测量
在热电偶应用中,以ADC外部的绝对基准电压为基础来测量热电偶所产生的电压。冷结补偿利用16位温度传感器ADT7310 实现。因为热电偶的信号较小,同时为使电路的动态范围达到最大,所以AD7193在128倍的最高增益下工作。输入通道具有缓冲功能,因此需要时可将大去耦电容置于前端,以便于消除可能出现在热电偶引脚上的噪声影响。热电偶测量所用的共模电压由放大器AD8617提供。
4 mA至20 mA电流测量
本电路还支持4 mA至20 mA电流测量。利用片上检测电阻将电流转换为电压。为在电流测量模式下使用ADC的全部动态范围,使用一个200 Ω电阻。该检测电阻必须具有低温度系数,以免在测量电路中引入温漂误差。
稳压器和基准电压源的选择
本电路选择 ADP1720 作为5 V稳压器。
ADP1720是一款高压微功耗线性稳压器,特别适合工业应用。本电路选择4.5 V REF194作为基准电压源,E级器件在25°C时的初始精度为±2 mV,最大温漂为5 ppm/°C。它是一款低压差器件,功耗小于45 μA,额定工作温度范围为−40°C至+125°C。
隔离
ADuM1400和ADuM1401是基于ADI公司 iCoupler® 技术的四通道数字隔离器,用来在现场端与系统微控制器之间实现隔离,隔离额定值为2.5 kV rms。ADuM1400使用4条线,全部用于发送数据(SCLK、DIN、ADG1414、ADT7310)。ADuM1401也使用4条线,1条线用于发送数据( AD7193),3条线用于接收数据(INT1、INT2、DOUT)。DIN、DOUT和SCLK线连接到SPORT接口。
该设计还包括外部保护功能,如标准保护二极管和瞬变电压抑制器(TVS器件)等,用以增强电路的鲁棒性。更多信息参见CN0209设计支持包中的原理图和其它资源:http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport。
输入 | AD7193 配置 | 均方根噪声 (nV) | 有效分辨率(位) |
±10V 输入范围 | 增益 = 1;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 50 Hz | 7940 | 19.15 |
4 mA 至20 mA范围 | 增益 = 1;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 2.63 Hz | 931 | 22.24 |
RTD | 增益 = 16;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 2.63 Hz | 243 | 20.29 |
热电偶 | 增益 = 128;50 Hz和60 Hz抑制;输出数据速率 = 2.63 Hz | 220 | 19.23 |
表1显示了其它模式下基于1000个ADC数据采样点的性能。
图3显示配置为双极性输入模式并且输入接地时AD7193输出性能的直方图。该直方图显示了等效输入噪声的影响。这种模式实现的有效分辨率为19.2位。
解决方案框图
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器件 | 类型 | 描述 | 数据手册 |
---|---|---|---|
AD8676 | 精密放大器 (Vos | 点击下载 | |
ADG442 | 双电源模拟开关和多路复用器 | LC2MOS 四通道单刀单掷开关 | 点击下载 |
AD8275 | 差动放大器 | G = 0.2、电平转换、16位ADC驱动器 | 点击下载 |
ADT7310 | 数字温度传感器 | ±0.5°C精度、16位数字SPI温度传感器 | 点击下载 |
AD7193 | 多通道ADC | 内置PGA的4通道、4.8 kHz、超低噪声、24位Σ-Δ ADC | 点击下载 |
adg1414 | 双电源模拟开关和多路复用器 | 9.5 Ω RON ±15 V/+12 V/±5 V iCMOS 串行控制八通道单刀单掷开关 | 点击下载 |
ADUM1401 | 标准数字隔离器 | 四通道数字隔离器(3/1通道方向性) | 点击下载 |
adum1400 | 标准数字隔离器 | 四通道数字隔离器(4/0通道方向性) | 点击下载 |
ADP1720 | 正线性稳压器(LDO) | 50 mA、高压、微功耗线性稳压器 | 点击下载 |
REF194 | 串联基准电压 | 4.5V精密、微功耗、低压差、低压基准电压源 | 点击下载 |
AD8617 | 通用运算放大器 | 低成本、微功耗、低噪声CMOS RRIO双通道运算放大器 | 点击下载 |
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