如何設(shè)計(jì)微控制器控制的隔離式16位輸出模塊？

使用 AD5422 DAC的3芯片解決方案。

無論是在建筑物中還是在生產(chǎn)車間，如今在任何地方都需要可編程控制器來調(diào)節(jié)各種生產(chǎn)過程、機(jī)器和系統(tǒng)。這就涉及到與相關(guān)器件連接的可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。為了控制這些器件，PLC或DCS模塊通常具有提供電流輸出、電壓輸出或二者的組合的輸出模塊。工業(yè)控制模塊的標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出電壓和電流范圍為±5 V、±10 V、0 V至5 V、0 V至10 V、4 mA至20 mA和0 mA至20 mA。特別是在工業(yè)領(lǐng)域，通常需要對(duì)微控制器和輸出外設(shè)進(jìn)行電氣隔離。

傳統(tǒng)解決方案采用分立式設(shè)計(jì)，可以將微控制器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，或提供不同的模擬輸出，并實(shí)現(xiàn)電氣隔離。但是，與集成式解決方案相比，分立式設(shè)計(jì)有許多缺點(diǎn)。例如，組件數(shù)量多，導(dǎo)致系統(tǒng)非常復(fù)雜，電路板尺寸大，成本高。短路耐受能力甚至故障診斷等其他特性更凸顯了這些缺陷。

較好的解決方案是在單芯片上盡可能整合更多的功能，例如，ADI公司的高精度16位DAC AD5422。除了數(shù)模轉(zhuǎn)換，它還提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，能夠滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的需求。

圖1顯示可完全隔離控制輸出模塊的模擬輸出級(jí)的示例電路。它特別適合需要4 mA至20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出和單極性或雙極性輸出電壓范圍的過程控制應(yīng)用中的PLC和DCS模塊。這里AD5422與 ADuM1401 四通道數(shù)字隔離模塊組合使用。

16位DAC AD5422的輸出可通過串行外設(shè)接口(SPI)配置。該模塊還集成診斷功能，這在工業(yè)環(huán)境中很有用。微控制器和DAC之間所需的絕緣電阻可通過ADuM1401實(shí)現(xiàn)，ADuM1401的四個(gè)通道用于與AD5422實(shí)現(xiàn)SPI連接：三個(gè)通道（LATCH、SCLK和SDIN）傳輸數(shù)據(jù)，第四個(gè)通道(SDO)接收數(shù)據(jù)。

特別是在工業(yè)應(yīng)用中，必須提供能夠抗高干擾電壓的可靠輸出。IEC 61000等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了可靠性要求，例如，其中指定了有關(guān)電磁兼容性(EMC)的要求。為了符合這些標(biāo)準(zhǔn)，輸出端需要有額外的外部保護(hù)電路。一種可能的保護(hù)電路如圖2所示。

圖1.使用AD5422和ADuM1401實(shí)現(xiàn)模擬輸出級(jí)隔離控制的簡化示例電路。

圖2.用于AD5422輸出的符合IEC 61000標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)電路。

電流輸出(IOUT)可以在4 mA至20 mA或0 mA至20 mA范圍內(nèi)選擇設(shè)定。電壓輸出通過單獨(dú)的VOUT引腳提供，該引腳的電壓范圍可配置為0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V。所有電壓范圍的超量程均為10%。兩個(gè)模擬輸出都具有短路和開路保護(hù)功能，可以驅(qū)動(dòng)1 μF的容性負(fù)載和50 mH的感性負(fù)載。

AD5422需要10.8 V至40 V的模擬電源(AVDD)。對(duì)于數(shù)字電源電壓(DVCC)，則需要2.7 V至5.5 V。或者，DVCC也可作為系統(tǒng)中其他組件的電源引腳或上拉電阻的終端。為此，DVCC_SELECT引腳應(yīng)浮空，并向DVCC引腳施加內(nèi)部4.5 V LDO穩(wěn)壓器電壓。最大可用電源電流為5 mA。在所示電路中，DVCC用于向ADuM1401的電氣隔離端供電。

使用ADR4550 外部基準(zhǔn)電壓源可從16位DAC獲取高精度輪換結(jié)果。這是一款高精度、低功耗、低噪聲基準(zhǔn)電壓源，最大初始精度為0.02%，具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。

本文所示的電路特別適用于PLC或DCS模塊的輸出模塊，這些模塊同時(shí)提供電流和電壓輸出，并且必須符合IEC 61000等EMC標(biāo)準(zhǔn)。

參考資料

"AN-1519：利用單芯片電壓和電流輸出DAC AD5422及數(shù)字隔離器ADuM1401構(gòu)建16位全隔離輸出模塊。" ADI公司，2018年2月。
編輯：hfy