基于AD5422的全隔离单通道电压与4-20mA输出带HART通信电路设计

在工业自动化领域，可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）对于模拟输出通道的需求日益增长，不仅要求输出稳定、准确，还需要具备良好的隔离性能和HART通信能力。本文将详细介绍一款基于AD5422的全隔离单通道电压与4 - 20mA输出带HART通信的电路设计。

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一、电路概述

该电路提供了一个完整的、全隔离的模拟输出通道，适用于需要标准4 - 20mA HART兼容电流输出以及单极性或双极性输出电压范围的PLC和DCS模块。它为通道间隔离的PLC/DCS输出模块或其他需要全隔离模拟输出的工业应用提供了灵活的构建模块，同时在模拟输出端子上还设有外部保护。

1.1 主要器件

• AD5422：16位电流和电压输出DAC，软件可配置，提供所需的电流和电压输出。
• AD5700 - 1：低功耗HART调制解调器，带有内部RC振荡器，与AD5422配合形成完整的HART兼容4 - 20mA解决方案。
• ADP2441：36V、1A同步降压DC - DC调节器，将24V电源降压至5V，为控制器侧电路供电。
• ADuM3471：带有集成变压器驱动器和PWM控制器的四通道隔离器，用于电源隔离。
• ADuM3482：小型3.75kV rms四通道数字隔离器，用于隔离AD5700 - 1的UART信号。

二、电路功能与优势

2.1 模拟输出

AD5422是一款精密的16位DAC，提供可编程电流源和可编程电压输出，满足工业过程控制应用的需求。它支持多种标准模拟输出电压和电流范围，如±5V、±10V、0V - +5V、0V - +10V、+4mA - +20mA和0mA - +20mA，并且电流输出和电压输出分别通过不同引脚提供。此外，所有电压范围都有10%的过范围功能，电流输出有0mA - 20mA的过范围。模拟输出还具备短路和开路保护功能。

为了获得更高的温度性能，该设计使用了ADR02参考，它是一个5V精密参考，允许输入电压高达36V，最大精度误差为0.05%，最大温度漂移为3ppm/°C。AD5422允许使用内部或外部精密电流设置电阻，本设计使用了内部电流传感电阻选项，但使用外部15kΩ精密电阻可获得更高的精度。

2.2 HART兼容性

AD5700 - 1与AD5422配合，形成完整的HART兼容4 - 20mA解决方案。AD5700 - 1的0.5%精密内部振荡器在通道间隔离应用中节省了大量空间，因为无需为每个通道使用时钟晶体。HART调制解调器输出通过C1和C2衰减，并通过CAP2引脚交流耦合到AD5422。

2.3 隔离电源

AD5422的电压输出所需的最大电压裕量为0.8V，电流输出最大需要2.5V的裕量。因此，要通过500Ω负载输出20mA电流，需要大于12.5V的电源。本设计中，最小电源电压（过温时）不低于13.5V，提供了一定的裕量。

ADuM347x系列设备是四通道数字隔离器，带有集成的脉宽调制（PWM）控制器和低阻抗变压器驱动器。使用这些设备和一个变压器以及简单的全波二极管整流器，即可构成一个隔离的DC - DC转换器，从5.0V或3.3V输入提供高达2W的稳压隔离电源，无需单独的隔离DC - DC转换器。

2.4 输入电源

电路由24V电源供电，ADP2441将24V降压至5V，为所有控制器侧电路供电。ADP2441具有宽输入电压容差，能接受工业标准的24V电源，并且可以接受高达36V的输入，便于实现可靠的电源输入瞬态保护。此外，它还具有欠压锁定（UVLO）、精密使能功能、电源良好引脚和过流限制保护等安全/可靠性功能，在24V输入和5V输出时效率可达90%。

2.5 隔离

ADuM3471电源隔离电路包括四个完全隔离的电压通道，隔离等级为2.5kV，用于隔离AD5422的四条数据线（SCLK、LATCH、SDIN和SDO）。SDO线的隔离虽然不是电路运行的必需条件，但可以访问诊断和故障功能以及寄存器回读。ADuM3482是一个3.75kV四通道数字隔离器，用于隔离AD5700 - 1 HART调制解调器的UART信号。

2.6 过压保护

电路允许连续的+36V和 - 28V直流过压保护，通过外部保护二极管在过压情况下上拉或下拉电源，二极管与输出端子之间的电阻限制峰值电流。输出端子的最大/最小电压受连接到输出或电源的任何电路的击穿电压限制。

2.7 瞬态电压保护

AD5422包含ESD保护二极管，可防止正常操作中的损坏。为了保护AD5422免受过高的电压瞬变影响，可能需要外部功率二极管和浪涌电流限制电阻。在电流输出路径和电压输出路径中，电阻值的选择需要考虑输出电压的合规性和保护二极管的功率额定值。此外，还可以使用瞬态电压抑制器（TVS）或跨接二极管提供进一步的保护。

三、常见变化

3.1 单电源方案

当应用只需要4 - 20mA电流输出时，可以使用单电源方案。例如，AD5422的正AVDD电源可以为24V，输出合规性为24V - 2.5V = 21.5V，在20mA输出电流下，负载电阻最高可达1kΩ。

3.2 不同分辨率和功能的器件选择

对于不需要16位分辨率的应用，可以使用12位的AD5412；对于只需要电流输出的应用，可以使用AD5420（16位）和AD5410（12位）；对于需要在同一端子上同时输出电压和电流的应用，可以参考Circuit Note CN - 0278中的技术。

3.3 参考器件选择

如果不需要过压保护，可以使用最大电源电压较低的参考器件，如ADR4550或ADR445。

3.4 隔离器选择

ADuM347x隔离器提供了多种输入/输出通道配置，有最大数据速率为1Mbps（A等级）或25Mbps（C等级）的版本可供选择。

3.5 HART调制解调器选择

可以使用AD5700调制解调器代替AD5700 - 1，但需要外部晶体或CMOS时钟。

四、电路评估与测试

4.1 所需设备

• EVAL - SDP - CB1Z系统演示平台（SDP - B）
• EVAL - CN0321 - SDPZ评估板和软件
• 一台PC（Windows 32位或64位）
• 24V电源
• 精密电压表，如Agilent 34410A
• 数字测试滤波器（如HCF_TOOL - 31）
• 500Ω精密负载电阻
• 示波器，如Tektronix DS1012B或等效设备

4.2 测试设置

按照测试设置功能图进行连接，安装评估软件后，连接评估板和SDP板到PC的USB端口，为评估板施加24V电源，启动软件完成安装。

4.3 测试结果

• 绝对精度性能：在电流输出模式下，使用内部RSEI时，AD5422的总未调整误差（TUE）在25°C时典型值为0.08% FSR；在电压输出模式下，TUE在25°C时典型值为0.01% FSR。测量结果表明，电路的电流和电压输出误差均在预期范围内。
• 积分非线性（INL）性能：测试结果显示，使用开关电源与线性电源相比，系统精度没有明显损失，平均输出噪声也没有显著差异。
• HART合规性：通过输出静音期间的噪声测试和模拟变化率测试，验证了电路符合HART物理层规范。在输出静音期间，负载上的电压噪声在HART扩展频带内的组合宽带和相关噪声不超过2.2mV rms，带外噪声不超过138mV rms；模拟输出电流的最大变化率不会干扰HART通信，最坏情况下的电流变化在HART扩展频带内产生的干扰不超过15mV峰值。

五、总结

这款基于AD5422的电路设计为工业控制应用提供了一个高性能、全隔离的模拟输出解决方案，具备良好的精度、稳定性和HART通信能力。通过合理选择器件和优化电路设计，可以满足不同工业应用的需求。在实际设计中，工程师可以根据具体要求对电路进行调整和优化，以达到最佳性能。你在实际应用中是否遇到过类似电路设计的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。