多通道模拟输出电路 CN - 0229 的设计与应用

在工业控制领域，多通道 I/O 卡、可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）等应用对模拟输出电路的性能和灵活性提出了很高的要求。今天，我们就来深入探讨由 Analog Devices 设计的 CN - 0229 电路，它为这些应用提供了一种多通道、灵活的模拟输出解决方案。

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电路概述

CN - 0229 电路仅使用两个模拟组件，就能满足大多数多通道 I/O 卡、PLC 和 DCS 应用的需求。该电路主要由 AD5686R 四通道 16 位 nanoDAC + 和四个 AD5750 - 2 工业电流/电压输出驱动器组成，能够提供典型的输出电流和电压范围，具有 16 位分辨率、无缺失码、0.05% 线性度和小于 0.1% 的输出误差。此外，ADuM1301 和 ADuM5400 提供 2500 V rms 隔离，确保了模拟信号链与主机控制器之间的安全通信。

关键组件介绍

AD5750 - 2 工业电流/电压输出驱动器

AD5750 - 2 是单通道、低成本、高精度的电压/电流输出驱动器，专为工业过程控制应用而设计。其输出电压范围可编程为 PLC 和 DCS 应用的标准范围，如 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、 - 5 V 至 + 5 V 和 - 10 V 至 + 10 V，还提供 20% 的过范围设置。电流输出范围包括 + 4 mA 至 + 20 mA、0 mA 至 + 20 mA、 - 20 mA 至 + 20 mA、0 mA 至 + 24 mA 和 - 24 mA 至 + 24 mA，单极范围有 2% 的过范围设置。该驱动器集成了高精度、低漂移电阻，也允许使用外部电阻来提高输出电流的温度稳定性。

AD5686R 四通道 16 位 nanoDAC +

AD5686R 集成了轨到轨电压缓冲输出和片上 2 ppm/°C 典型（5 ppm/°C 最大）、2.5 V 参考电压。片上参考电压可驱动所有四个 AD5750 - 2 的参考输入，输出阻抗低至 0.05 Ω，能够源出和吸收高达 5 mA 的电流。此外，它还包含上电复位电路，确保 DAC 输出在上电时为 0 V，直到接收到有效的写命令。

ADuM1301 和 ADuM5400 数字隔离器

ADuM1301 是三通道数字隔离器，ADuM5400 是四通道数字隔离器，带有集成的隔离式 DC - DC 转换器。它们基于 iCoupler® 技术，提供 2.5 kV rms 的隔离，ADuM5400 还为二次侧的 5 V 电路提供隔离的 5 V 电源。

电路特性与优势

高精度与低漂移

AD5686R 集成的超低漂移（2 ppm/°C 典型）、2.5 V 电压参考，为电路提供了低噪声、高精度和低温度漂移的特性。这使得电路在不同的工作环境下都能保持稳定的性能。

隔离设计

ADuM1301 和 ADuM5400 提供的 2500 V rms 隔离，有效防止了信号链与系统微控制器之间的干扰，提高了系统的可靠性和安全性。

灵活性与可扩展性

对于需要超过 4 个通道的多通道 I/O 卡应用，多个 AD5686R 可以串联连接，无需额外的外部数字 I/O 电路，降低了成本，尤其适用于高通道数的隔离应用。

工业级保护

电路包含片上输出故障检测、CRC 包错误检查（PEC）、灵活的上电选项和 ESD 保护（AD5686R 为 4 kV 人体模型，AD5750 - 2 为 3 kV 人体模型），使其成为坚固的工业控制系统的理想选择。此外，电路还采用了外部保护电路，如 54 V、600 W 瞬态电压抑制器（TVS）、功率肖特基二极管和 50 mA、30 V 聚合物开关，提供 50 V 过电压保护和 50 mA 过电流保护。

电路测量与测试

积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）和输出误差是 PLC、DCS 和其他过程控制系统中最重要的规格。通过在 25°C 下对电路进行测量，得到了不同输出范围下的 INL、DNL 和输出误差数据。测试结果表明，AD5750 - 2 具有高度灵活和可配置的输出范围，能够满足不同应用的需求。

常见变化与替代方案

DAC 选择

对于不需要 16 位分辨率的应用，可以选择 AD5685R（14 位）和 AD5684R（12 位），它们与 AD5686R 引脚兼容。对于需要通道间隔离的应用，单 DAC 如 AD5660（16 位）、AD5640（14 位）和 AD5620（12 位）是不错的选择。

驱动器选择

AD5750 和 AD5750 - 1 驱动器与 AD5750 - 2 引脚兼容，但输入范围和参考电压有所不同。AD5751 是单极模拟输出驱动器，可使用 50 V AVDD 电源提供 40 V 输出。

电路评估与测试

所需设备

进行电路评估和测试需要以下设备：

• 系统演示平台（EVAL - SDP - CB1Z）
• CN - 0229 电路评估板（EVAL - CN0229 - SDPZ）
• CN - 0229 评估软件
• Agilent 34401A 6.5 位数字万用表
• Agilent E3631A 0 V 至 - 6 V/5 A ±25 V/1 A 三输出直流电源
• 带有 USB 接口的 PC（Windows 2000 或 Windows XP）
• National Instruments GPIB 到 USB - B 接口和电缆

测试步骤

1. 加载评估软件：将 CN - 0229 评估软件 CD 放入 PC 的 CD 驱动器，按照 Readme 文件的说明安装和使用评估软件。
2. 连接电路：将 EVAL - CN0229 - SDPZ 电路板上的 120 针连接器连接到 EVAL - SDP - CB1Z（SDP）板上的 CON A 或 CON B 连接器，使用尼龙硬件固定。设置直流输出电源为 + 15 V、 - 15 V 和 + 6 V 输出，然后关闭电源。在电源关闭的情况下，连接 + 15 V、 - 15 V 和 GND 到 CN1，连接 + 6 V 到 CN2，然后打开电源，将 USB 电缆连接到 SDP 板和 PC 的 USB 端口。
3. 进行测试：将 CN3 的 VOUT 引脚或 CN4 的 IOUT 引脚连接到 Agilent 34401A 的输入，根据输入信号类型确保电缆连接正确。通过 PC 设置 DAC 代码，使用自动测试程序逐步遍历代码并分析数据。将 Agilent 34401A 万用表的 GPIB 输出通过 National Instruments GPIB 到 USB - B 接口和电缆连接到 PC 的第二个 USB 端口，将万用表读数加载到 Excel 电子表格中，使用行业标准定义分析 INL、DNL 和输出误差。

总结

CN - 0229 电路为多通道 I/O 卡、PLC 和 DCS 应用提供了一种高性能、灵活且可靠的模拟输出解决方案。通过合理选择组件和采用适当的保护措施，该电路能够满足工业控制领域对高精度、低漂移和高可靠性的要求。如果你在设计类似的电路时遇到问题，不妨参考本文的内容，相信会对你有所帮助。你在实际应用中是否也使用过类似的电路呢？遇到过哪些挑战？欢迎在评论区分享你的经验。