簡介
為可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊等過程控制應(yīng)用設(shè)計模擬輸入模塊時，主要權(quán)衡因素通常是性價比。傳統(tǒng)上，此應(yīng)用領(lǐng)域使用雙極性±15 V電源軌來提供有源前端組件，用于輸入信號的衰減或增益。這會影響物料清單(BOM)的成本，而創(chuàng)建隔離雙極電源會增加設(shè)計的復(fù)雜性。為了節(jié)省成本，另一種方法是使用單個5 V電源設(shè)計架構(gòu)。單個5 V電源軌顯著降低了模擬前端隔離電源設(shè)計的復(fù)雜性。但它會引入其他痛點，可能降低測量解決方案的精度。 AD4111進(jìn)行了電壓和電流測量所需的大量整合工作，并解決了5 V電源解決方案的局限性。
集成前端
AD4111是一款24位Σ-Δ型ADC，通過實現(xiàn)創(chuàng)新而簡單的信號鏈，縮短了開發(fā)時間，降低了設(shè)計成本。它利用ADI的專有iPassives?技術(shù)，將模擬前端和ADC融合在一起。這使得AD4111能夠接受±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入，同時無需外部組件即可在單個5 V或3.3 V電源下工作。電壓輸入指定為±20 V的超量程，在此范圍內(nèi)，該器件仍可在電壓引腳上提供有效轉(zhuǎn)換和±50 V的絕對最大規(guī)格。電流輸入指定為-0.5 mA至24 mA的范圍，可實現(xiàn)接近0 mA的準(zhǔn)確電流測量，提供精確的24 mA轉(zhuǎn)換。AD4111的電壓輸入保證最小阻抗為1MΩ。這樣可以去除±15 V外部緩沖器，進(jìn)一步節(jié)省電路板空間和BOM成本。5 V設(shè)計要求每個電壓輸入必須有一個高阻抗分壓器，這會占用電路板空間。離散解決方案的設(shè)計需要權(quán)衡精密電阻的成本與精度。為了解決這個問題，AD4111在每個輸入端采用了一個高阻抗精密分壓器，如圖3所示。
圖1.AD4111功能框圖。
開路檢測
通常，單個5 V設(shè)計的限制是缺少開路檢測，一般是對15 V電源軌使用高阻抗電阻，將開路連接拉至超出范圍的電壓。AD4111采用5 V或3.3 V電源提供獨特開路檢測功能，克服了這一問題。此方法將開路檢測與超出范圍的故障分開，進(jìn)一步簡化了診斷。通過在AD4111內(nèi)部包含此功能，前端無需上拉電阻，因此也無需15 V電源，如圖2所示。消除±15 V電源減少了隔離電路的復(fù)雜性、面積和輻射。對于不需要開路檢測的應(yīng)用，可以使用另一種通用的AD4112。該器件具有AD4111的所有優(yōu)點，但沒有開路檢測。
系統(tǒng)級解決方案
AD4111集成了基準(zhǔn)電壓和內(nèi)部時鐘，有助于進(jìn)一步減小電路板尺寸并降低BOM成本，同時允許使用外部組件，應(yīng)付需要更高精度和更低溫度誤差轉(zhuǎn)換的情況。圖2和圖3分別顯示了典型的高端和低端解決方案。圖2和圖3中突出顯示了可完全被AD4111取代的信號鏈的比例。AD4111的總不可調(diào)整誤差(TUE)精度規(guī)范旨在達(dá)到系統(tǒng)級要求。對于許多解決方案，精度可能足以省略任何額外校準(zhǔn)。在現(xiàn)有的高精度解決方案中，通常按通道對模塊進(jìn)行校準(zhǔn)。AD4111采用高匹配輸入設(shè)計，因此校準(zhǔn)一個輸入便可所有輸入上提供類似的精度。
圖2.典型高端解決方案。
圖3.典型低端解決方案。
EMC測試
PLC和DCS模塊通常在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運行，并且必須承受電磁干擾(EMI)的情況。在設(shè)計具有電磁兼容性(EMC)功能的輸入模塊時，這會增加復(fù)雜性，因為大多數(shù)設(shè)備的額定值不適用于EMC，因此設(shè)計輸入保護(hù)和濾波電路就變得復(fù)雜起來。這可能顯著增加設(shè)計和測試開發(fā)時間。EMC實驗室租金昂貴，測試失敗可能意味著長時間延遲，直到電路板可以重新設(shè)計和重新測試。AD4111已經(jīng)被設(shè)計成了一個印刷電路板(PCB)，演示了一個經(jīng)過驗證的EMC解決方案。該電路板的特點是確保電路性能不會受到輻射射頻(RF)或傳導(dǎo)RF干擾的永久影響，并且已被證明具有足夠的抗靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌的能力，符合IEC 61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)集。該電路板還針對CISPR 11進(jìn)行了評估，其輻射發(fā)射水平遠(yuǎn)低于A類限值。有關(guān)AD4111 EMC PCB的更多信息，請參閱AN-1572。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了所用測試程序的所有必要信息，以及為AD4111設(shè)計EMC認(rèn)證輸入模塊的電路板設(shè)計原理圖和布局。
結(jié)論
AD4111是一款高度集成的系統(tǒng)級ADC，具有全面的可配置性。它能夠接受±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入，采用5 V或3.3 V單電源供電，具有開路檢測功能和許多其他功能，為模擬輸入模塊設(shè)計提供獨特的解決方案。它采用6 mm × 6 mm、40引腳LFCSP封裝，之前需要完整復(fù)雜PCB的模塊現(xiàn)在可由單個器件替代。
作者簡介
Cathal Casey是愛爾蘭科克ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)小組的應(yīng)用工程師，主要關(guān)注用于直流測量的精密Σ-Δ型ADC。他從科克大學(xué)畢業(yè)后，于2016年加入ADI公司。他擁有電氣電子工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：cathal.casey@analog.com。