CN0179 4-20 mA低功耗、14位、过程控制电流环路发送器

CN0179 对于14位或16位分辨率的解决方案，请考虑采用AD5641 or AD5662,。16 V CMOS运算放大器ADA4665-2 是另一个选择，可以代替AD8657。它的性价比更高，电压噪声更低，但缺点是电源电流较高。 针对此类应用选择放大器时，务必确保不要超出输入共模电压和电源电压范围。 本电路采用EVAL-CN0179-PMDZ电路板、EVAL-SDP-CB1Z系统 演示平台(SDP) 评估板和SDP-PMD-IB1Z（一款针对EVAL-SDP-CB1Z的Pmod转接板）。SDP和SDP-PMD-IB1Z板 具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。为了使用SDP-PMD-IB1Z和 SDP评估EVAL-CN0179-PMDZ板，通过一个间距为100密尔、面积为25平方密尔的标准直角12引脚Pmod接头连接器把 EVAL-CN0179-PMDZ 连接至SDP-PMD-IB1Z。 有关如何使用评估软件来捕捉数据以及正确安装硬件的详细信息，请参阅 CN0179 软件用户指南。 设备要求 带USB端口且运行Windows® XP、Windows® Vista（32位）或Windows® 7（32位）的PC EVAL-CN0179-PMDZ电路评估板 EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板 SDP-PMD-IB1Z CN0179评估软件 Agilent E36311A双直流电源（或等效设备） Agilent 3458A万用表（或等效设备） +6 V壁式电源适配器 GPIB转USB电缆适配器（仅在捕捉输出模拟数据并将其传送到PC时才需要） 有关如何使用评估软件来捕捉数据以及正确安装硬件的详细信息，请参阅CN0179软件用户指南。 测试设置和测量 使用图5中的测试设置对电路进行测试。评估板的照片如图6所示。 驱动外部电流环路时，跳线不应连接J1端子。跳线连接内部250 Ω负载，并且应当在执行电压测量时使用。   图5.测试设置功能框图   图6.EVAL-CN0179-PMDZ板照片   对于工业和过程控制模块，4 mA至20 mA电流环路发送器用作控制单元与执行器之间的通信手段。12位DAC AD5621位于控制单元，根据输入代码产生0 V至5 V之间的输出电压VDAC。代码通过SPI接口设置。输入代码与输出电压之间的理想关系可用下式表示： VDAC = VREF × (D/214) (1) 其中：VREF为ADR125的输出电压和AD5621的电源电压。D是载入AD5621的二进制代码的十进制等效值。 DAC输出电压设置流过检测电阻RSENSE的电流： ISENSE = VDAC/RSENSE (2) 流过RSENSE 的电流作为VDAC 的函数在0 mA至2 mA范围内变化。此电流会在R1两端产生一个电压，并设置AD8657放大器(A2)的同相输入端电压。A2 AD8657使环路闭合，并将反相输入端电压拉至与同相输入端相同的电压。因此，流过R1的电流以10倍的系数镜像到R2。这可以通过公式3表示： IOUT = IR2 = (VDAC/RSENSE ) × ( R1/R2) (3) VDAC 的范围为0 V至5 V，因此该电路产生的电流输出范围为0 mA至20 mA。 AD5621是一款12位DAC，属于 nanoDAC 系列，采用基准电压源ADR125的5 V输出电压工作。它有一个片内精密输出缓冲器，该缓冲器能够提供轨到轨输出摆幅，因此其动态输出范围非常高。电源电压为5 V时，AD5621消耗的电源电流为75 μA（典型值）。 此外，本电路解决方案需要一个轨到轨输入放大器。双通道运算放大器AD8657是绝佳选择，具有低功耗和轨到轨特性。在额定电源电压和输入共模电压范围内，该运算放大器的工作电源电流为22 μA（典型值）。它还提供出色的单位电流噪声和带宽性能。AD8657是功耗最低的放大器之一，工作电源电压最高可达18 V。 ADR125是一款精密、微功耗、低压差(LDO)基准电压源。输入电压为18 V时，静态电流仅95 μA（典型值）。之所以首选LDO基准电压源，是因为它能使从控制单元到执行器的环路电线承受更多压降。为了保持稳定，ADR125的输出端需要一个0.1 μF小电容。另外再并联一个0.1 μF至10 μF电容可以提高负载瞬态响应性能。虽然输入电容不是必需的，但建议使用。输入端可以串联一个1 μF至10 μF的电容，以改善电源电压突然变化时的瞬态响应性能。再并联一个0.1 μF电容同样有助于降低电源噪声。 还需要旁路电容（图1中未显示）。本例中，每个双通道运放的每个电源引脚上都应有一个10 μF钽电容与一个0.1 μF陶瓷电容并联。有关正确去耦技巧的详细说明，请参考教程MT-101。 该电路解决方案输出0 mA至20 mA的电流。图2显示在250 Ω负载电阻中测得的电路输出电流。图3所示为输出电流误差图。 图2. 0 mA至20 mA输出电流   图3显示输出电流误差图，单位为满量程范围的百分比。最差情况下的总误差约为0.35%，通过测量代码256和代码16,128之间的输出范围得到。 图3. 输出电流误差图   图4显示校准输出电流误差图。移除图3中的增益和偏置误差后，精度高于0.05%，通过测量代码256和代码16,128之间的输出范围得到。 图4.校准输出电流误差图   图3和图4中的数据显示零电平和满量程时具有较大误差，这是因为AD5641 DAC输出缓冲器限制输出信号何时位于任意供电轨10 mV以内所致。因此，线性度规格将代码0和代码255以及代码16,129和代码16,384之间的区域排除在外。其对应的DAC电压输出约为0 V至80 mV以及4.92 V至5.00 V；参考电流输出则为0 mA至0.32 mA以及19.68 mA至20.00 mA。 测试数据利用图6所示测试板获得。该系统的完整文档位于 CN-0179设计支持包 中。 CN0179 CN0179 4-20 mA低功耗、14位、过程控制电流环路发送器 图1所示电路是一个4 mA至20 mA电流环路发送器，用于过程控制系统与其执行器之间的通信。除具有高性价比外，此电路还是业界功耗最低的解决方案。4 mA至20 mA电流环路广泛用于采用数字或模拟输入输出的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。电流环路接口之所以颇受青睐，是因为它能以高性价比方式进行长距离抗扰数据传输。低功耗双通道运算放大器AD8657 、DACAD5621和基准电压源ADR125 的组合，可以为微控制器和数字隔离器等更高功耗器件提供更多功耗预算。此电路输出电流为0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范围一般对应表示DAC或微控制器的输入控制范围，0 mA至4 mA的输出电流范围则常用于诊断故障条件。 12位、5 V AD5621需要75 μA的电源电流（典型值）。AD8657是一款轨到轨输入/输出双通道运算放大器，而且是目前业界功耗最低的放大器之一（在整个电源电压和输入共模范围内，其耗电流为22 μA），工作电压最高可达18 V。ADR125是精密微功耗5 V带隙基准电压源，仅需要95 μA电源电流。这三个器件总共消耗192 μA的电源电流（典型值）。 图1. 低功耗4 mA至20 mA过程控制电流环路（原理示意图：未显示去耦和所有连接）   CN0179 CN0179 | circuit note and reference circuit info 4-20 mA低功耗、14位、过程控制电流环路发送器 | Analog Devices 图1所示电路是一个4 mA至20 mA电流环路发送器，用于过程控制系统与其执行器之间的通信。除具有高性价比外，此电路还是业界功耗最低的解决方案。4 mA至20 mA电流环路广泛用于采用数字或模拟输入输出的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。电流环路接口之所以颇受青睐，是因

• 低功耗4-20mA电流环路
• 12、14或16位数字控制
• 用于可编程逻辑控制器中

(analog)