[经验]

【案例分享】去繁从简，教你简化模拟输入模块设计

2019-8-5 04:30:00

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简介

为可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)模块等过程控制应用设计模拟输入模块时，主要权衡因素通常是性价比。传统上，此应用领域使用双极性±15 V电源轨来提供有源前端组件，用于输入信号的衰减或增益。这会影响物料清单(BOM)的成本，而创建隔离双极电源会增加设计的复杂性。为了节省成本，另一种方法是使用单个5 V电源设计架构。单个5 V电源轨显著降低了模拟前端隔离电源设计的复杂性。但它会引入其他痛点，可能降低测量解决方案的精度。 AD4111进行了电压和电流测量所需的大量整合工作，并解决了5 V电源解决方案的局限性。

集成前端

AD4111是一款24位Σ-Δ型ADC，通过实现创新而简单的信号链，缩短了开发时间，降低了设计成本。它利用ADI的专有iPassives™技术，将模拟前端和ADC融合在一起。这使得AD4111能够接受±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入，同时无需外部组件即可在单个5 V或3.3 V电源下工作。电压输入指定为±20 V的超量程，在此范围内，该器件仍可在电压引脚上提供有效转换和±50 V的绝对最大规格。电流输入指定为-0.5 mA至24 mA的范围，可实现接近0 mA的准确电流测量，提供精确的24 mA转换。AD4111的电压输入保证最小阻抗为1MΩ。这样可以去除±15 V外部缓冲器，进一步节省威廉希尔官方网站板空间和BOM成本。5 V设计要求每个电压输入必须有一个高阻抗分压器，这会占用威廉希尔官方网站板空间。离散解决方案的设计需要权衡精密电阻的成本与精度。为了解决这个问题，AD4111在每个输入端采用了一个高阻抗精密分压器，如图3所示。

图1.AD4111功能框图。

开路检测

通常，单个5 V设计的限制是缺少开路检测，一般是对15 V电源轨使用高阻抗电阻，将开路连接拉至超出范围的电压。AD4111采用5 V或3.3 V电源提供独特开路检测功能，克服了这一问题。此方法将开路检测与超出范围的故障分开，进一步简化了诊断。通过在AD4111内部包含此功能，前端无需上拉电阻，因此也无需15 V电源，如图2所示。消除±15 V电源减少了隔离威廉希尔官方网站的复杂性、面积和辐射。对于不需要开路检测的应用，可以使用另一种通用的AD4112。该器件具有AD4111的所有优点，但没有开路检测。

系统级解决方案

AD4111集成了基准电压和内部时钟，有助于进一步减小威廉希尔官方网站板尺寸并降低BOM成本，同时允许使用外部组件，应付需要更高精度和更低温度误差转换的情况。图2和图3分别显示了典型的高端和低端解决方案。图2和图3中突出显示了可完全被AD4111取代的信号链的比例。AD4111的总不可调整误差(TUE)精度规范旨在达到系统级要求。对于许多解决方案，精度可能足以省略任何额外校准。在现有的高精度解决方案中，通常按通道对模块进行校准。AD4111采用高匹配输入设计，因此校准一个输入便可所有输入上提供类似的精度。

图2.典型高端解决方案。

图3.典型低端解决方案。

EMC测试

PLC和DCS模块通常在恶劣的工业环境中运行，并且必须承受电磁干扰(EMI)的情况。在设计具有电磁兼容性(EMC)功能的输入模块时，这会增加复杂性，因为大多数设备的额定值不适用于EMC，因此设计输入保护和滤波威廉希尔官方网站就变得复杂起来。这可能显著增加设计和测试开发时间。EMC实验室租金昂贵，测试失败可能意味着长时间延迟，直到威廉希尔官方网站板可以重新设计和重新测试。AD4111已经被设计成了一个印刷威廉希尔官方网站板(PCB)，演示了一个经过验证的EMC解决方案。该威廉希尔官方网站板的特点是确保威廉希尔官方网站性能不会受到辐射射频(RF)或传导RF干扰的永久影响，并且已被证明具有足够的抗静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)和浪涌的能力，符合IEC 61000-4-x标准集。该威廉希尔官方网站板还针对CISPR 11进行了评估，其辐射发射水平远低于A类限值。有关AD4111 EMC PCB的更多信息，请参阅AN-1572。本应用笔记详细介绍了所用测试程序的所有必要信息，以及为AD4111设计EMC认证输入模块的威廉希尔官方网站板设计原理图和布局

结论

AD4111是一款高度集成的系统级ADC，具有全面的可配置性。它能够接受±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入，采用5 V或3.3 V单电源供电，具有开路检测功能和许多其他功能，为模拟输入模块设计提供独特的解决方案。它采用6 mm × 6 mm、40引脚LFCSP封装，之前需要完整复杂PCB的模块现在可由单个器件替代。