用于过程控制应用的全可编程通用模拟前端电路CN - 0209

在当今的电子设计领域，过程控制应用对模拟前端（AFE）的要求越来越高，需要其具备高灵活性、高精度和高可靠性。Analog Devices的Circuits from the Lab参考电路CN - 0209，为过程控制应用提供了一个全可编程的通用模拟前端解决方案。

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一、电路概述

CN - 0209电路为过程控制应用提供了一个全可编程的通用模拟前端，支持多种输入类型，包括2 - 、3 - 和4 - 线RTD配置、带冷端补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压以及4 mA至20 mA输入。

1. 连接器件

该电路涉及多个关键器件，如ADP1720（高压、低压差线性稳压器）、ADG442（LC 2 MOS四通道单刀单掷开关）、AD8275（G = 0.2，电平转换ADC驱动器）等。这些器件协同工作，实现了电路的各项功能。

2. 电路优势

传统的模拟输入模块常使用跳线来配置输入，这需要时间、专业知识和手动干预。而CN - 0209电路通过软件可控开关配置模式，并配备恒流源激励RTD，还可重新配置热电偶的共模电压。此外，该电路采用差分放大器将模拟输入电压范围调整到Σ - Δ ADC，具有行业领先的性能和成本优势。由于AD8676和AD8275提供的电压增益，该设计特别适用于小信号输入、各种类型的RTD或热电偶。

二、电路详细描述

1. 电压测量

该电路支持测量高达±10 V的单极性和双极性信号范围。输入信号在通过AD7193 ADC转换之前，先经过信号调理阶段。AD8676放大器在增益阶段之前对输入进行缓冲，AD8275用于对输入信号进行电平转换并提供增益，使其匹配AD7193的输入范围。AD8275的输出通过连接到其REF引脚的共模电压进行偏置，该电压由REF194精密4.5 V参考源产生。

2. RTD测量

电路支持2 - 、3 - 和4 - 线RTD配置，这里使用的是1000 Ω铂（Pt）RTD。最精确的配置是4 - 线RTD。外部200 µA电流源为RTD提供激励电流，AD7193以增益16运行，以最大化电路的动态范围。AD8617放大器在选择RTD测量模式时配置为电流源，在选择热电偶测量时重新配置为闭环以设置共模电压。

3. 热电偶测量

在热电偶应用中，热电偶产生的电压相对于外部提供给ADC的绝对参考进行测量。冷端补偿使用ADT7310 16位温度传感器实现。由于热电偶信号较小，为了最大化电路的动态范围，AD7193在其最高增益范围128下运行。输入通道经过缓冲，如果需要，可以在前端放置大的去耦电容，以消除热电偶引线中可能存在的噪声。

4. 4 mA至20 mA电流测量

电路支持4 mA至20 mA电流测量，电流通过板载检测电阻转换为电压。为了在电流测量模式下充分利用ADC的动态范围，使用了200 Ω电阻。检测电阻必须具有低温度系数，以避免测量电路中的温度漂移误差。

5. 稳压器和参考源选择

ADP1720被选为5 V稳压器，它是一款特别适用于工业应用的高压微功率线性稳压器。REF194被选为4.5 V参考源，E级器件在25°C时初始精度为±2 mV，最大漂移为5 ppm/°C，是一种低压差器件，功耗小于45 μA，性能规格在 - 40°C至 + 125°C范围内。

6. 隔离

ADuM1400和ADuM1401是基于Analog Devices的iCoupler®技术的四通道数字隔离器，用于在现场侧和系统微控制器之间提供隔离，隔离额定值为2.5 kV rms。

三、电路性能

输入	AD7193配置	RMS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

从表中数据可以看出，该电路在不同输入类型下都能实现较高的有效分辨率，为过程控制应用提供了可靠的测量性能。

四、电路评估与测试

1. 所需设备

• 带有USB端口和Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）的PC
• EVAL - CN0209 - SDPZ电路评估板
• EVAL - SDP - CB1Z SDP评估板
• CN0209评估软件
• +15 V和 - 15 V电源
• RTD温度传感器
• 热电偶

2. 测试步骤

1. 加载评估软件：将CN0209评估软件光盘放入PC的CD驱动器，使用“我的电脑”找到包含评估软件光盘的驱动器并打开Readme文件，按照文件中的说明安装和使用评估软件。
2. 连接电路板：将EVAL - CN0209 - SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z评估（SDP）板上标记为“CON A”的连接器，使用尼龙硬件通过120引脚连接器两端的孔牢固固定两块板。在电源关闭的情况下，将 + 15 V电源连接到标记为“+15 V”的引脚，将 - 15 V电源连接到标记为“ - 15 V”和“GND”的引脚。将SDP板附带的USB电缆连接到PC的USB端口。
3. 测试操作：对连接到EVAL - CN0209 - SDPZ电路板的±15 V电源供电，启动评估软件，将USB电缆从PC连接到SDP板上的USB迷你连接器。建立USB通信后，SDP板可用于发送、接收和捕获来自EVAL - CN0209 - SDPZ板的串行数据。

3. 不同测量类型的测试

• 电压测量：若要测量电压测量电路的噪声，将输入J3和J4都连接到地，然后点击软件中匹配通道的按钮；若要测量电压，按图2连接输入J3和J4，再点击软件中相应按钮。结果以波形和直方图形式显示，可使用切换按钮选择电压结果的刻度。
• RTD测量：若要通过RTD温度传感器测量温度，按图2连接输入J1、J2、J3和J4，根据RTD的2 - 、3 - 或4 - 线配置选择不同连接方式，然后点击软件中匹配的按钮。波形上方的切换按钮可用于显示华氏、摄氏或开尔文温度。
• 热电偶测量：若要通过热电偶测量温度，按图2连接输入J1、J2、J3和J4，选择使用的热电偶类型，然后点击软件中的TC按钮。波形上方的切换按钮可用于显示华氏、摄氏或开尔文温度。
• 电流测量：若要测量电流，按图2连接输入J5和J6，然后点击软件中匹配的按钮。可使用切换按钮选择电流结果的刻度。

五、总结

CN - 0209电路为过程控制应用提供了一个功能强大、灵活且可靠的模拟前端解决方案。其支持多种输入类型，具有良好的性能和可配置性，通过合理的器件选择和设计，能够满足不同应用场景的需求。各位工程师在实际应用中，可根据具体需求对电路进行调整和优化，以实现最佳的测量效果。大家在使用该电路时，是否遇到过一些特殊的问题或者有什么独特的优化思路呢？欢迎在评论区分享。