环路供电型4 mA - 20 mA DAC AD421：工业控制领域的理想之选

在工业控制领域，智能发射器对于数据的准确传输和处理至关重要。AD421作为一款完整的环路供电型4 mA - 20 mA数字转换器，专为满足智能发射器制造商的需求而设计。今天，我们就来深入了解一下这款器件。

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一、AD421的特性亮点

1. 高性能输出

AD421的电流输出范围为4 mA至20 mA，具有16位分辨率和单调性，积分非线性仅为±0.01%，能够提供高精度的模拟输出。其4 mA零电平输出电流失调误差为±0.1%，20 mA满量程输出电流增益误差为±0.2%，保证了输出的准确性。

2. 丰富的功能集成

内置可选稳压器，可提供+5 V、+3.3 V或+3 V调节输出电压，为自身及发射器中的其它器件供电，无需外接独立的稳压器。同时，还内置有+1.25 V和+2.5 V精密基准电压源，为系统中的其它器件提供精密基准电压。

3. 通信兼容性

AD421完全兼容标准HART电路或其它类似的FSK协议，可结合标准HART FSK协议通信电路使用，且额定性能不受影响。其高速串行接口能够以10 Mbps速率工作，可通过标准三线式串行接口与常用的微处理器和微控制器简单相连。

4. 封装与温度范围

提供16引脚SOIC和PDIP封装，方便不同应用场景的选择。额定温度范围为 - 40°C至 + 85°C工业温度范围，适应恶劣的工业环境。

二、AD421的内部结构与工作原理

1. 稳压器

由运算放大器、带隙基准电压源和外部耗尽型FET调整管组成，用于稳定环路电压。LV引脚上的信号通过更改电阻分压器的增益，选择(V{CC})要稳定的目标电压值。为保证稳压器环路稳定，需在(V{CC})引脚与COM引脚之间连接电容，在COMP和DRIVE引脚之间连接补偿电容，以及在DRIVE和COM之间连接外部缓冲器电路。

2. DAC部分

内置16位Σ - Δ型DAC，由二阶调制器和连续时间滤波器组成。来自调制器的单比特码流控制开关电流源，经三个电阻电容滤波器部分滤波处理。为满足指定满量程建立时间，需使用具有低电介质吸收性能的电容（NPO），如(C1 = C2 = 0.01 μF)，(C3 = 0.0033 μF)。

3. 电流放大器

DAC输出电流驱动运算放大器和NPN晶体管组成的电流放大器，设定从LOOP RTN引脚流出的电流。DAC输出和环路回流之间的80 kΩ电阻用作采样电阻，NPN晶体管的基极驱动电路伺服于通过40 Ω电阻的电压，使其等于80 kΩ电阻两端的电压。

4. 数字接口

由DATA、CLOCK和LATCH三条线组成，可直接连接到通用微控制器的串行端口。数据以MSB优先方式在CLOCK信号的上升沿载入至输入移位寄存器，然后在LATCH信号的上升沿被送入DAC锁存器。根据LATCH脉冲之间的时钟周期数，可区分正常的4 mA至20 mA数据和报警电流数据。

5. 基准电压源部分

内置1.21 V片内带隙基准电压源，用于产生+1.25 V和+2.5 V两个基准电压。REF OUT1引脚提供+1.25 V缓冲基准电压，REF OUT2引脚提供+2.5 V基准电压，均可提供最高0.5 mA的外部电流。在应用电路中使用时，需在基准电压引脚上连接4.7 μF的外部电容，以确保基准电压源工作稳定。

三、AD421的使用与配置

1. 工作模式

AD421可设置为正常的4 mA至20 mA工作模式或报警电流工作模式。正常工作模式下，编码为16位直接二进制码，输出电流范围为4 mA至20 mA；报警电流工作模式下，编码为17位直接二进制码，等效范围为0 mA至32 mA，但可靠工作范围为3.5 mA至24 mA。

2. 输入/输出代码

在4 mA至20 mA工作模式下，输入代码与输出电流之间存在理想关系，如输入代码为0000 0000 0000 0000时，输出电流为4 mA；输入代码为1111 1111 1111 1111时，输出电流为19.999756 mA。在报警电流工作模式下，也有相应的输入/输出代码关系，但需注意将代码限制在可靠工作范围内。

3. 微处理器接口

AD421可与多种微处理器接口，如Motorola MC68HC11 SPI总线、美国国家半导体公司的MICROWIRE接口等。还可通过光隔离接口实现与控制器的隔离，减少控制线路数量，适用于本安型应用或对噪声、安全要求较高的场景。

四、AD421的应用场景

1. 基本工作配置

在5 V下工作时，使用最少外部元件即可操作AD421。稳压器环路与DN25D调整管一起为AD421自身和发射器中的其它器件提供(V{CC})电压。(V{CC})引脚需使用2.2 μF电容进行充分去耦，以确保稳压器工作稳定。

2. 降低外部FET上的功率负载

通过添加外部NPN晶体管，可降低FET上的功率负载。FET为(V{CC})供电，外部高电压NPN双极性晶体管输送BOOST电流，将FET必须输送的外部功率负载降至750 μA以下（无其它元件共享(V{CC})线路）或4 mA以下（与AD421共享同一(V_{CC})线路）。

3. 智能发射器

AD421设计用于4 mA至20 mA智能发射器，可与高分辨率Σ - Δ型转换器（如AD7714/AD7715）配合使用。微处理器从转换器读取数据，处理后通过AD421将数据通过4至20 mA环路传回至控制中心。

4. HART接口

AD421可用于HART发射器应用，将数字通信叠加到4 mA至20 mA电流环路。发射器使用带通滤波器和调制解调器接收和发送HART数据，经过波形形成后耦合至AD421在C3引脚上的输出端。

5. 电流源

将AD421用作电流源时，给AD421设置的电流将在R1上产生电压，由于负反馈，R2上也将产生相同的电压。R1与R2的比值决定负载电阻(R_{L})中的电流。

6. 备用电池

在环路损坏时，可使用备用电池保护电路的微控制器和存储器部分，防止数据丢失。失去(V{CC})电源时，备份电路可从(V{CC})切换至电池电压，且不会出现毛刺。

AD421以其高性能、丰富的功能和广泛的应用场景，成为工业控制领域智能发射器的理想选择。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求，合理配置和使用AD421，以实现更高效、准确的数据传输和控制。你在使用AD421的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。