模拟器件的PLC/DCS模拟输出模块

电路功能与优势图1所示电路是一种仅使用两个模拟器件的全功能、灵活、可编程的模拟输出解决方案，它满足可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)应用的大部分要求。AD5660-1 是一款低功耗(2.8 mW @ 5 V)、轨到轨输出、16位nanoDAC， AD5750-1是一款工业用电流/电压输出驱动器，二者相结合可提供所有典型的电流和电压输出范围、16位分辨率且无失码、0.05%的线性度以及小于0.1%的输出误差。该电路还具有一些支持工业应用的重要特性，如片内输出故障检测、用于防止分组错误(PEC)的CRC校验以及灵活的上电选项等，非常适合构建鲁棒的工业控制系统。在大批量生产中，它无需外部精密电阻或校准程序就能保持一致的性能，因而是PLC或DCS模块的理想选择。
图1. 针对单通道的基本模拟输出电路 电路描述AD5750/AD5750-1是单通道、低成本、精密电压/电流输出驱动器，设计用于满足工业过程控制应用的需要。电压输出范围可以针对PLC和DCS应用的标准输出范围进行编程：0 V至5 V、0 V至10 V、-5 V至+5 V和-10 V至+10 V。针对标准范围，还提供了20%的超范围设置，由此便可得到下列选项：0 V至6 V、0 V至12 V、-6 V至+6 V和-12 V至+12 V。电流输出通过单独的引脚提供，可以编程为以下范围：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。单极性范围具有2%的超范围设置。由于AD5750/AD5750-1的电流输出既可以是源电流，也可以是吸电流，因此它能与广泛的传感器或执行器接口。如果需要，可以将电压和电流输出引脚连在一起，以便将终端系统配置为单通道输出。AD5660-1是一款单通道、低成本、低功耗、轨到轨电压缓冲输出nanoDAC，片内集成一个1.25V、5 ppm/°C基准电压源。AD5660-1内置一个上电复位电路，确保DAC输出上电至0 V并保持该电平，直到执行一次有效的写操作为止。AD5660-1 DAC与AD5750-1驱动器之间的接口简单，无需外部器件。AD5660-1的输出电压范围是0 V到2.5 V，与AD5750-1的输入范围匹配。此外，AD5660-1的基准输出电压为1.25 V，与AD5750-1的基准输入要求完全匹配。用于PLC和DCS应用的器件所需的ESD保护和过压保护一般远高于形式上的推荐要求。AD5750-1的各引脚内置ESD保护二极管，可以防止3 kV瞬变损害器件（人体模型）。但是，工业控制环境可能会使I/O电路遭受高得多的瞬变。EVAL-CN0203-SDPZ电路板内置外部30 V/600 W瞬变电压抑制器(TVS)、50 mA/30 V自恢复保险丝(PolySwitch)和肖特基功率二极管，以提供更高电压的ESD保护、50 mA过流保护和30 V过压保护。图1的原理示意图未显示可选的外部保护电路，但可以在CN0203设计支持包的详细原理图（EVAL-CN0203-SDPZ-SCH pdf文件）中找到：www.analog.com/CN0203-DesignSupport本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”" 以及 教程MT-101——“去耦技术”）。测量对于PLC、DCS和其它过程控制系统，积分非线性(INL)、微分非线性(DNL)和输出误差是最重要的性能指标。AD5750-1具有非常灵活并且可配置的输出范围，可以满足应用需要。该电路的INL、DNL和输出误差测量结果分别如图2、图3和图4所示。测量条件为25°C、电压输出模式并且使用内部电流检测电阻。AD5750-1范围设置为0 V至5 V。所有其它范围的测试结果如表1所列。
图3. 0 V至5 V输出范围的DNL
图4. 0 V至5 V输出范围的输出误差 表1所示测试结果是在25°C下使用EVAL-CN0203-SDPZ电路板，采用Agilent E3631A直流电源供电，利用Agilent 34401A数字万用表测得的。注意，客户需要调整输出范围0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA，以便与0 mA至20 mA和0 mA至24 mA范围完全匹配。0 mA至+24.5 mA范围下的0.24% FSR输出误差包括增益误差，增益误差由客户通过校准消除。
常见变化AD5620（12位）和 AD5640 （14位）与 AD5660 引脚兼容，适合不需要16位分辨率的应用。AD5623R （12位）、 AD5643R （14位）和 AD5663R （16位）是双通道nanoDAC器件， AD5624R （12位）AD5644R （14位）和 AD5664R （16位）是四通道nanoDAC器件，均适合多通道应用。AD5750 驱动器与AD5750-1引脚兼容，采用4.096 V基准电压源时，可以接受0 V至4.096 V的输入范围。AD5751是单极性模拟输出驱动器，使用50 V AVDD电源时，可以提供40 V输出。电路评估与测试设备要求（可以用同等设备代替）·系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)·CN-0203电路评估板(EVAL-CN0203-SDPZ)·CN-0203评估软件·用于控制外部测试测量设备的软件（CD中未包括）·Agilent 34401A 6.5数字万用表·Agilent E3631A 0 V-6 V/5 A、±25 V/1 A三路输出直流电源·带USB接口的PC（Windows 2000或Windows XP）·National Instruments GPIB转USB-B接口和电缆开始使用将CN-0203评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。功能框图图5所示为测试设置的功能框图。Pdf文件“EVAL-CN0203-SDPZ-SCH”包含CN-0203评估板的详细电路原理图。此文件位于CN-0203设计支持包中： www.analog.com/CN0203-DesignSupport
图5. 测试设置功能框图 设置EVAL-CN0203-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CON A”或“CON B”的连接器。应使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。将直流输出电源成功设置为+15 V、-15 V和+6 V输出后，关闭电源。在断电情况下，将一个+15 V电源连接到标有“+15 V”的CN1引脚，将一个-15 V电源连接到标有“-15 V”的CN1引脚，将“GND”连接到标有“GND”的CN1引脚。以同样方式将+6 V连接到CN2。接通电源，然后将SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意：接通EVAL-CN0203-SDPZ的直流电源之前，请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。测试设置好测试设备后，将标有“VOUT”的CN3引脚或标有“IOUT”的CN4引脚连接到Agilent 34401A的输入端。根据输入信号类型（电流或电压），确保Agilent 34401A前面板上的电缆连接正确。测试INL、DNL和总误差需要相当长的时间，因为AD5660-1 16位DAC的所有电平都需要由34401A设置并测量。利用CD中提供的软件，可以通过PC设置DAC代码。需要使用自动测试程序来逐步测试各个代码并分析数据。CD中未提供程序，必须由客户根据测试设置所用特定万用表的要求予以实现。在图5所示的测试配置中，利用National Instruments GPIB转USB-B接口和电缆，34401A万用表的GPIB输出与PC上的另一个USB端口接口。这样，万用表读数就能与载入PC中Excel电子表格的各代码对应。然后根据业界标准定义分析这些数据，以获得INL、DNL和总误差。