用于I/O卡和PLC应用的4通道、灵活、可配置、电压和电流输出电路 (CN0229)

图1所示电路是一种仅使用两个模拟器件的多通道、灵活的模拟输出解决方案，它满足多通道I/O卡、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。具有轨到轨缓冲输出的四通道、16位nanoDAC+ AD5686R 配合四个工业电流/电压输出驱动器 AD5750-2 使用，可提供所有典型的电流和电压范围的输出，其具有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。

AD5686R集成了一个具有高驱动能力（最高±5 mA）、超低漂移（2 ppm/°C，典型值）的2.5 V基准电压源，能够同时为AD5686R和AD5750-2提供基准电压，确保电路的低噪声、高精度、低温漂。

ADuM1301 和 ADuM5400 对电源和模拟信号链与主控制器之间的所有必要信号提供2500 V rms隔离。

对于需要4个以上通道的多通道I/O卡应用，多个AD5686R可以菊花链形式连接，且不需要额外的外部数字I/O电路。这样使成本降到最低限度，特别是对于高通道数隔离应用。

该电路还具有一些针对工业应用的关键特性，如片内输出故障检测、通过CRC执行分组差错检验(PEC)、灵活的上电选项和ESD保护（AD5686R为4 kV，人体模型，AD5750-2为3 kV，人体模型），非常适合构建鲁棒工业控制系统。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. 模拟输出电路的原理示意图（未显示所有连接和保护电路）

 

AD5750/AD5750-1/AD5750-2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。输出电压范围可以针对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/AD5750-2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接在一起，以便将系统配置为单通道输出。

一般而言，电流输出电路需要至少一个精密电阻，用于电流检测。电路的电流精度和温度漂移特性部分取决于电阻和基准电压。AD5750/AD5750-1/AD5750-2集成了高精度、低漂移电阻，如果需要还可以使用外部电阻。要提高输出电流在全温度范围内的稳定性，方法之一是在AD5750/AD5750-1/AD5750-2的REXT1和REXT2引脚连接一个外部低漂移电阻来替代内部电阻。外部电阻通过输入移位寄存器进行选择。如果不使用外部电阻选项，REXT1和REXT2引脚应保持悬空。

AD5686R是一款四通道、16位、轨到轨电压缓冲输出nanoDAC+，片内集成一个典型值为2 ppm/°C（最大值为5 ppm/°C）的2.5 V基准电压源。片内基准电压源可驱动所有四个AD5750-2的基准输入，具有0.05 Ω的低输出阻抗，源电流和吸电流最高可达5 mA。AD5686R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。

AD5686R DAC与AD5750-2驱动器之间的接口简单，无需外部基准电压源或精密电阻。AD5686R的输出电压范围是0 V到2.5 V，与AD5750-2的输入范围匹配。此外，AD5686R的基准输出电压为2.5 V，与AD5750-2的基准输入要求完全匹配。

ADuM1301是一款三通道数字隔离器。ADuM5400是一款四通道数字隔离器，集成了一个隔离式DC/DC转换器。它们均基于iCoupler®技术，用来在信号链与系统微控制器之间实现隔离，隔离额定值为2.5 kV rms。ADuM5400为副边的5 V电路提供5 V隔离电源。

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通常的推荐要求。AD5686R和AD5750-2的各引脚内置ESD保护二极管，可以防止4 kV (AD5686R)和3 kV (AD5750-2)电压瞬变（人体模型）损害器件。但是，工业控制环境可能会使I/O电路遭受高得多的电压瞬变。

使用外部54 V、600 W瞬变电压抑制器(TVS)作为增强ESD保护的第一级。在AD5750-2的VSENSE+和VSENSE−引脚上放置一个串联1 kΩ、0.5 W电阻的肖特基功率二极管，在VOUT和IOUT引脚上放置50 mA、30 V自恢复保险丝。这些保护电路置于 EVAL-CN0229-SDPZ 电路板中，以提供50 V过压保护和50 mA过流保护。图1的原理示意图未显示可选的外部保护电路，但可以在CN0229设计支持包的详细原理图(EVAL-CN0229-SDPZ-PADSSchematic pdf文件) 中找到： http://www.analog.com/CN0229-DesignSupport

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板(PCB)上。为实现最佳系统性能和低EMI，请采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考 指南MT-031——实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团 以及 指南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。AD5750-2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。数据是在25°C时在电压输出模式下获得的。AD5750-2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2. 0 V至5 V输出范围的INL

 

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-CN0229-SDPZ电路板的第一通道得到的，使用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3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA，以便与4 mA至20 mA、0 mA至20 mA和0 mA至24 mA范围完全匹配。0 mA至20.4 mA范围下的1.86% FSR输出误差包括增益误差，增益误差由客户通过校准轻松消除。

以GND为参考，有一个约10 mV的低死区。所有线性测试结果使用一个缩减的数据范围256到65,535计算。对于3.92 mA至20.4 mA、0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA，低死区大于其他标准范围，被测量数据范围1000到65,535。

AD5685R （14位）和AD5684R （12位）与AD5686R引脚兼容，适合不需要16位分辨率的应用。

对于需要通道间隔离的应用，单通道DAC（例如16位的AD5660 、14位的AD5640 和12位的 AD5620 是较好的选择。

对于单通道应用，详情参见 CN-0202、 CN-0203和 CN-0204 电路笔记。

AD5623R （12位）、AD5643R（14位）和AD5663R（16位）是双通道nanoDAC，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。AD5628/ AD5648/AD5668 是八通道12/14/16位SPI电压输出denseDAC，片内集成5 ppm/°C基准电压源。

AD5750 和 AD5750-1 驱动器与AD5750-2引脚兼容。AD5750在4.096 V基准电压下可接受0 V至4.096 V的输入。AD5750-1在1.25 V基准电压下可接受0 V至2.5 V的输入。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。

设备要求（可以用同等设备代替）

开始使用
将CN-0229评估软件光盘放入PC的光盘驱动器，加载评估软件。打开My Computer（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。EVAL-CN0229-PADSSchematic pdf文件包含CN-0229评估板的详细电路原理图。此文件位于CN-0229设计支持包中：http://www.analog.com/CN0229-DesignSupport

设置
EVAL-CN0229-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上的CON A或CON B连接器。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CN1的+15 V引脚，将一个−15 V电源连接到CN1的−15 V引脚，将GND连接到CN1的GND引脚。以同样方式将+6 V连接到CN2。接通电源，然后使用USB电缆连接SDP板和PC上的USB端口。注意：接通EVAL-CN0229-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。

图5. 测试设置功能框图

 

测试

设置好测试设备后，将CN3的VOUT引脚或CN4的IOUT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和输出误差需要相当长的时间，因为AD5686R 16位DAC的所有电平都需要由Agilent 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步进式的测试各个代码并分析数据。CD中未提供此程序，但是必须由客户根据在测试设置中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，Agilent 34401A万用表的GPIB输出与PC上的另一个USB端口相连接。这样就能将每个数据的对应的万用表读数载入到PC的Excel表格中。然后根据业界标准定义分析这些数据，以获得INL、DNL和输出误差。