环路供电型4 - 20 mA DAC AD421：工业控制领域的理想之选

在工业控制领域，智能发射器需要高精度、低成本的解决方案来实现数字到模拟的转换。ADI公司的AD421就是这样一款出色的环路供电型4 - 20 mA数字转换器，下面我们就来详细了解一下它。

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一、AD421的特性亮点

1. 电流输出与分辨率

AD421能够输出4 mA至20 mA的电流，具有16位分辨率和单调性，积分非线性仅为±0.01%，可以保证高精度的信号转换。比如在一些对电流精度要求极高的工业控制场景中，AD421就能很好地满足需求。

2. 兼容性与接口

它是HART®兼容型，可结合标准HART FSK协议通信电路使用，且额定性能不受影响。同时，其灵活的高速串行接口能以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，方便工程师进行系统集成。

3. 内部资源

内置可选稳压器，可提供+5 V、+3.3 V或+3 V调节输出电压，还内置有+1.25 V和+2.5 V精密基准电压源，无需外接独立的稳压器和基准电压源，大大简化了电路设计。

4. 其他特性

静态电流最大值为750 µA，具有可编程报警电流能力，能通过发送超量程电流指示传感器故障。提供16引脚SOIC和PDIP封装，额定温度范围为 - 40°C至 + 85°C工业温度范围，适应多种工业环境。

二、AD421的功能模块解析

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，为AD421自身及发射器电路其余部分供电。LV引脚上的信号可选择(V{CC})要稳定的目标电压值，通过更改运算放大器反相输入端和(V{CC})引脚之间电阻分压器的增益来实现。选择FET调整管时，需注意其(Vgs(off))、(I{Dss})和跨导等参数，以确保DRIVE引脚上的运算放大器输出能正确控制FET的工作点。为补偿稳压器环路并确保稳定工作，还需采用若干外部元件，如在(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等。

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，再由三个电阻电容滤波器部分进行滤波处理。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输出电流驱动由运算放大器和NPN晶体管组成的电流放大器，以设定从LOOP RTN引脚流出的电流。DAC输出和环路回流之间连接的80 kΩ电阻用作采样电阻来决定电流大小，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

仅由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，无需外部胶连逻辑。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信号之间收到的时钟脉冲数，可判断输入的数据是正常的4 - 20 mA数据还是报警电流数据。

5. 基准电压源部分

内置1.21 V片内带隙基准电压源，可产生+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。要让AD421采用自身的基准电压源工作，只需将REF OUT2引脚连接到REF IN引脚。在应用电路中使用REF OUT1和REF OUT2时，需在基准电压引脚上连接4.7 μF的外部电容，以提供补偿并确保基准电压源工作稳定。

三、AD421的工作模式与编码

1. 正常工作模式

编码为16位直接（自然）二进制码，输出电流范围为4 mA至20 mA。当REF IN电压为 + 2.5 V时，(1 LSB = 16 mA / 65,536 = 244 nA)。

2. 报警电流工作模式

编码也为直接二进制码，在两倍范围（0 mA至32 mA）分辨率为17位，但实际操作中，AD421无法可靠地产生低于3.5 mA或超过24 mA的电流。当REF IN电压为 + 2.5 V时，理想情况下，(1 LSB = 32 mA / 131,072 = 244 nA)。

四、AD421的接口应用

1. 微处理器接口

• AD421 – MC68HC11(SPI总线)接口：68HC11的SCK、MOSI和SS引脚分别连接到AD421的CLOCK、DATA IN和LATCH引脚，通过典型程序初始化SPI数据和控制寄存器，实现数据传输。
• AD421至MICROWIRE接口：MICROWIRE接口的G1、SK和SO引脚分别连接到AD421的LATCH、CLOCK和DATA IN引脚，与美国国家半导体公司的MICROWIRE接口兼容。

2. 光隔离接口

AD421的多功能三线式串行接口适合用于将隔离数字系统和控制环路所需的控制线路数量减至最少。在本安型应用等场景中，可通过光隔离器将AD421和控制器隔离开来，若使用上升时间和下降时间相对较短的光耦合器，可能需要在数字输入端上连接施密特触发器，以免将错误数据提供给DAC。

五、AD421的应用场景

1. 基本工作配置

使用最少外部元件操作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，确保稳压器工作稳定。若AD421在(V_{CC} = 3 V)下工作，需在COM和LOOPRTN之间连接一个16 kΩ电阻，以校正传递函数的负偏移。

2. 降低外部FET上的功率负载

通过添加外部NPN晶体管，可将FET必须输送的外部功率负载降至750 μA以下（如果没有任何其它元件共享(V{CC})线路）和4 mA以下（在与AD421共享同一(V{CC})线路的应用中）。

3. 智能发射器

AD421设计用于4 - 20 mA智能发射器，发射器处测得的传感器电压通过AD7714或AD7715等分辨率Σ - Δ型转换器进行转换，微处理器处理数据后，通过AD421将数据通过4 - 20 mA环路传回至控制中心。

4. HART接口

HART协议采用频移键控（FSK）技术，可将数字通信叠加到4 - 20 mA电流环路。在HART发射器应用中，AD421可与带通滤波器、调制解调器等配合使用，实现模拟和数字通信的叠加。

5. 电流源

将AD421用作电流源，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，备份电路可从(V{CC})切换至电池电压，防止微控制器和存储器部分的数据丢失。IRFF9113在正常工作期间用作电流源，给超级电容和镍镉电池提供连续充电电流，丧失(V{CC})时，电池或超级电容电流可流过MOSFET沟道和体二极管来给微控制器和存储器部分供电。

AD421以其高性能、低成本和丰富的功能，为工业控制领域的智能发射器应用提供了一个优秀的解决方案。工程师们在设计相关电路时，可以根据具体需求充分发挥AD421的优势，实现更高效、稳定的系统设计。你在使用AD421的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。