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• CN0376 Evaluation Board Guide 10/16/2018

• CN0376是一種雙通道、通道到通道隔離的熱電偶或RTD輸入，適用于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)。每個(gè)通道可以接受熱電偶或RTD輸入。整個(gè)電路由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的24 V總線電源供電。
  

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參考電路

• CN-0376：適合PLC/DCS應(yīng)用的通道間隔離溫度輸入(熱電偶/RTD)

  8/3/2015

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電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路提供一個(gè)雙通道、通道間隔離的熱電偶或RTD輸入，適用于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)。該高集成度設(shè)計(jì)采用低功耗、24位、Σ- 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，帶有豐富的模擬和數(shù)字特性，無需額外的信號(hào)調(diào)理IC。

每個(gè)通道可接受熱電偶或RTD輸入。整個(gè)電路采用標(biāo)準(zhǔn)24 V總線電源供電。各通道的大小僅有27 mm × 50 mm。

AD7124-4 24位Σ- 型ADC集成可編程增益陣列(PGA)和基準(zhǔn)電壓源，為靈活地連接熱電偶或RTD傳感器提供完整的特性組合。其特性包括片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源、可編程增益陣列、激勵(lì)電流、偏置電壓發(fā)生器以及提供增強(qiáng)50 Hz和60 Hz抑制選項(xiàng)的靈活濾波。AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封裝，因而非常適合空間為重要考慮因素的通道間隔離設(shè)計(jì)。它還包括多個(gè)可供用戶使用的診斷功能。

ADuM5010隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器通過集成的isoPower^?技術(shù)提供3.3 V隔離電源。ADuM1441用于隔離AD7124-4的串行外設(shè)接口(SPI)。AD7124-4微功耗隔離器空閑時(shí)每通道的功耗僅4.8 A，能效非常高。

ADP2441是36 V降壓DC-DC穩(wěn)壓器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24 V電源，具有寬輸入電壓容差。ADP2441用于將輸入電壓降至3.3 V，從而為所有控制器側(cè)電路供電。

系統(tǒng)概述

通道間隔離在自動(dòng)化系統(tǒng)中極具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘囟ㄝ斎胪ǖ赖墓收喜粫?huì)影響系統(tǒng)中的其它通道。然而，通道間隔離輸入模塊給設(shè)計(jì)提出了重大挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在復(fù)雜度、空間限制和系統(tǒng)成本這些方面。

熱電偶或RTD輸入是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的常用輸入，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠處理兩者的溫度輸入模塊很有用。這種靈活性最大程度地減少了兩種輸入模塊的設(shè)計(jì)工作，而且為模塊用戶提供了靈活性。

AD7124-4顯著降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提供一個(gè)片上系統(tǒng)，能夠執(zhí)行熱電偶和RTD傳感器所需的全部測(cè)量功能。

圖1所示電路的每個(gè)通道大小僅有27 mm × 50 mm，若在印刷電路板(PCB)兩面貼放器件，則上述面積可進(jìn)一步縮小。之所以能實(shí)現(xiàn)如此小的尺寸，是因?yàn)锳D7124-4采用5 mm ×5 mm小型LFCSP封裝，并且集成了幾乎所有必需的功能，除了隔離以及附加前端濾波和保護(hù)之外。用于數(shù)據(jù)和電源隔離的隔離電路僅占用87 mm²，最小合并寬度為12.5 mm。

端子連接

圖2顯示了兩個(gè)輸入通道各自的端子連接。這些引腳對(duì)應(yīng)于硬件中的P1和P2(見圖1)。熱電偶以及2/3/4線RTD連接如圖所示。

輸入濾波

如圖3所示，輸入共模噪聲濾波由R1、C1和R2、C2實(shí)現(xiàn)，截止頻率約為50 kHz。差分噪聲濾波由R1、R2和C3實(shí)現(xiàn)，截止頻率約為2.5 kHz。務(wù)必以Σ- 調(diào)制器頻率(全功率模式下為307 kHz)濾除任何干擾，這點(diǎn)特別重要。建議調(diào)整這些濾波器的截止頻率以滿足系統(tǒng)帶寬要求，共模濾波器的截止頻率約為差分濾波器截止頻率的10倍。

輸入保護(hù)

為保護(hù)輸入不受過壓狀況影響，AD7124-4的每個(gè)輸入路徑上都放置了3 k 電阻。此電阻值將30 V DC過壓產(chǎn)生的電流限制在10 mA以下。

考慮30 V電壓連接在AIN+和AIN?之間的情況。從AIN+朝里看，30 V電壓看到R1 (3 kΩ)，之后是內(nèi)部ESD保護(hù)二極管，再后面是從AIN3朝外看到的3 kΩ電阻與從AIN4朝外看到的3 k 電阻并聯(lián)。忽略內(nèi)部ESD保護(hù)二極管，AIN+與AIN?之間的總電阻為3 kΩ + 3 kΩ||3 kΩ = 4.5 kΩ。因此，流經(jīng)AD7124-4的電流限值為30 V ÷ 4.5 kΩ = 6.7 mA。

RTD輸入

圖1所示電路可連接到2線、3線或4線RTD。最大可測(cè)量3.92 kΩ電阻，因此它適用于Pt100和Pt1000 RTD。使用電流激勵(lì)，電阻測(cè)量為RTD與3.92 kΩ精密基準(zhǔn)電阻(R_REF)之間的比率式測(cè)量結(jié)果。如圖3所示，RTD測(cè)量在AIN1和AIN3之間進(jìn)行，REFIN1+和REFIN1?用作測(cè)量的基準(zhǔn)輸入。激勵(lì)電流設(shè)置如下：

• 2線模式：僅AIN0上的激勵(lì)有效，設(shè)置為250 μ A。

• 3線模式：AIN0和AIN4上的激勵(lì)電流均有效，各設(shè)置為100 μ A。

• 4線模式：僅AIN0上的激勵(lì)有效，設(shè)置為250 μ A。

使用高端電流檢測(cè)技術(shù)。對(duì)于較低的RTD引線電阻值，此技術(shù)可降低3線模式下電流失配的影響。有關(guān)3線RTD配置的更多信息，參見電路筆記CN-0383

基準(zhǔn)電阻(R_REF)選擇為3.92 kΩ，最高支持850°C的Pt1000 RTD測(cè)量(850°C時(shí)RTD電阻為3.9048 kΩ)。R_REF的值必須根據(jù)RTD的最大預(yù)期電阻來選擇。R_REF電阻的精度直接影響測(cè)量精度，因此，必須使用精密、低漂移電阻。

4線模式下，激勵(lì)電流必須設(shè)置為250 μA，3線模式下設(shè)置為100 μA。對(duì)于4線模式，假設(shè)RTD值為3.92 kΩ。來自AIN0的激勵(lì)電流流經(jīng)R_REF+ R_RTD+ R_RETURN= 3.92 kΩ+ 3.92 kΩ+ 3 kΩ =10.84 kΩ。因此，AIN0處的電壓等于250 μA × 10.84 kΩ =2.71 V。AD7124-4指定激勵(lì)電流輸出端的輸出順從電壓為AVDD? 0.35 V，即3.3 V – 0.35 V = 2.95 V。因?yàn)?.95 V > 2.71 V，所以即使對(duì)于最大RTD電阻，250 μA激勵(lì)電流也能正常工作。

有關(guān)4線RTD配置的更多信息，參見電路筆記CN-0381。

在3線模式下，來自AIN4的引腳補(bǔ)償激勵(lì)電流也會(huì)流經(jīng)3 k Ω ?返回電阻，在AIN0處產(chǎn)生一個(gè)附加電壓：250 μA × 3 k Ω  =0.75 V。因此，AIN0處的總電壓等于2.71 V + 0.75 V = 3.46 V，這違反了裕量要求。所以，在3線模式下，各激勵(lì)電流必須降至100 μA以提供足夠的裕量。

PGA增益可用來提高測(cè)量分辨率。對(duì)于Pt100 RTD，建議使用8倍增益(因?yàn)镻t100值比Pt1000值小10倍)。

為實(shí)現(xiàn)所需精度，RTD本身必須由主機(jī)控制器通過軟件進(jìn)行線性化，參見電路筆記CN-0383。

熱電偶測(cè)量

如圖3所示，熱電偶連接在AIN+和AIN?端子之間。AIN4引腳為熱電偶提供3.3 V ÷ 2 = 1.65 V的偏置電壓。熱電偶電壓在AIN1和AIN3之間測(cè)量，因?yàn)闊犭娕夹盘?hào)非常小，通常推薦使用32倍或64倍的PGA增益。

冷結(jié)補(bǔ)償使用10 kΩ NTC熱敏電阻?；鶞?zhǔn)電壓激勵(lì)V_REF從REFOUT獲得，并且串聯(lián)一個(gè)精密低漂移5.62 k?電阻接地。NTC電阻值可以通過下式計(jì)算：

其中:

V_NTC為AIN1和AIN3之間測(cè)得的電壓。
V_REF為AD7124-4REFOUT提供的基準(zhǔn)電壓。

端子板與NTC溫度傳感器之間的溫度差會(huì)直接影響熱電偶輸入的溫度讀數(shù)。因此，NTC熱敏電阻必須盡可能靠近端子板放置，使熱耦合最大。

為實(shí)現(xiàn)所需精度，熱電偶和NTC必須由主機(jī)控制器通過軟件進(jìn)行線性化，參見電路筆記CN-0384。

診斷

提供多種系統(tǒng)級(jí)診斷功能，包括：

• 基準(zhǔn)電壓檢測(cè)

• 輸入過壓/欠壓檢測(cè)

• SPI通信的CRC

• 存儲(chǔ)器映射的CRC

• SPI讀/寫檢查

這些診斷功能對(duì)輸入通道中可能發(fā)生的故障實(shí)現(xiàn)了高水平覆蓋。

隔離

數(shù)據(jù)通道利用四通道微功耗隔離器ADuM1441隔離，能效很高。ADuM1441采用5 mm × 6.2 mm、16引腳小型QSOP封裝(30 mm²)。

ADuM5010是一款完整的隔離開發(fā)轉(zhuǎn)換器，利用isoPower技術(shù)為電路提供電源隔離。ADuM5010采用7.4 mm × 7.5 mm、20引腳小型SSOP封裝(56.25 mm²)。

圖4所示為ADuM5010電路詳情。電源副邊使用鐵氧體磁珠來抑制潛在的電磁干擾(EMI)輻射。鐵氧體磁珠(Murata BLM18HK102SN1)專門針對(duì)100 MHz至1 GHz的高阻抗而選擇。還使用了10 μ?F和0.1 ? μF去耦電容。鐵氧體磁珠和電容均通過短走線連接到ADuM5010引腳，以使寄生電感和電阻最小。

拼接電容已維持最小面積，因?yàn)殍F氧體磁珠已大幅降低輻射。ADuM5010電源、GND引腳和鐵氧體磁珠之間的PCB區(qū)域應(yīng)消除任何接地層或走線，以盡量減少高頻噪聲容性耦合到接地層。有關(guān)控制isoPower器件輻射的更多信息，參見 AN-0971應(yīng)用筆記。

根據(jù)ADuM5010數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇R1和R2反饋電阻以選用3.3 V輸出。

每通道功耗

ADuM5010由控制器側(cè)電源供電，典型功耗為3.3 mA。ADuM5010滿載時(shí)的效率僅為27%，因此，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的電流消耗會(huì)對(duì)通道的能效產(chǎn)生重大影響。

AD7124-4功耗約為994 μA(全功率模式、增益= 32、TC偏置、診斷和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源使能)。利用中功率或低功耗模式可以顯著降低AD7124-4的功耗。

對(duì)于ADuM1441，空閑時(shí)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)總功耗約為7.2 μ A，以2 Mbp工作時(shí)為552 μA。如果接口在1/8的時(shí)間里有效，則ADuM1441的總功耗為(552 μA × 0.125) + (7.2 μ A ×0.875) = 75.3 μA。

當(dāng)以全功率模式工作、增益為32、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和TC偏置使能時(shí)，一個(gè)輸入通道的實(shí)測(cè)功耗為7.9 mA(來自控制器側(cè)3.3 V電源)。

電源電路

評(píng)估板由4.5 V至36 V直流電源供電，利用板上開關(guān)穩(wěn)壓器向系統(tǒng)提供3.3 V電源，如圖5所示。 EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)板為數(shù)字接口提供經(jīng)調(diào)節(jié)的3.3 V電壓。

ADP2441包括可編程軟啟動(dòng)、調(diào)節(jié)輸出電壓、開關(guān)頻率和電源良好指示等特性。這些特性通過外部小型電阻和電容編程。ADP2441還包括多種保護(hù)特性，如帶遲滯的欠壓閉鎖(UVLO)、輸出短路保護(hù)和熱關(guān)斷等。

300 kHz開關(guān)頻率可使ADP2441的效率最高。由于ADP2441的開關(guān)頻率非常高，建議使用低磁芯損耗、低EMI的屏蔽鐵氧體磁芯電感。

在圖5所示電路中，開關(guān)頻率通過294 k Ω外部電阻設(shè)置為約300 kHz。22μH電感值 (Coilcraft LPS6235-223MLC) 是利用可下載的ADP2441降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)工具選擇的。此工具可根據(jù)所需的工作條件(4.5 V至36 V輸入、3.3 V輸出、1 A輸出電流)選擇最佳的元件值。選擇1 A電流是為了給主機(jī)控制器側(cè)的其它電路供電(若需要)。

有關(guān)EVAL-CN0376-SDPZ電路評(píng)估板的完整文檔，包括原理圖、裝配圖、布局文件、Gerber文件和物料清單，請(qǐng)參閱 www.analog.com/CN0376-DesignSupport.

測(cè)試結(jié)果

關(guān)于熱電偶、3線和4線RTD電路的詳細(xì)性能分析，參見電路筆記CN-0381、電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384，其中給出了深入分析和測(cè)量結(jié)果。

圖6給出了EVAL-CN0376-SDPZ的直方圖，采用25 SPS后置濾波器，AIN+短接AIN?，增益為32，TC偏置使能。 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于17.85位無噪聲分辨率。