环路供电型 4 mA-20 mA DAC AD421 功能框图

环路供电型 4 mA-20 mA DAC AD421 功能框图
环路供电型
4 mA-20 mA DAC
AD421
功能框图
特性
电流输出:4 mA至20 mA
HART®兼容型
REF IN
(+2.5V)
REF OUT1 REF OUT2
(+2.5V)
(+1.25V)
LV
VCC
16位分辨率和单调性
±0.01%积分非线性
112.5k
稳压器输出:5 V或3 V
AD421
2.5 V和1.25 V精密基准电压源
75k
134k
DRIVE
BANDGAP
REFERENCE
静态电流:750 µA(最大值)
COMP
121k
可编程报警电流能力
灵活的高速串行接口
16引脚SOIC和PDIP封装
DATA
CLOCK
INPUT SHIFT
REGISTER
LATCH
DAC LATCH
概述
AD421是一款完整的环路供电型4 mA-20 mA数字转换器,
BOOST
LOCAL
OSCILLATOR
16-BIT
SIGMADELTA DAC
SWITCHED
CURRENT
SOURCES
AND
FILTERING
POWER-ON
RESET
40
80k
LOOP
RTN
专为满足工业控制领域智能发射器制造商的需求而设计。
COM
作为一种完全集成的高精度、低成本解决方案,该器件采
用紧凑型16引脚封装,是以极低成本提高4 mA-20 mA智能
发射器分辨率的理想之选。
AD421内置一个可选稳压器,用于为自身及发射器中的其
它器件供电。此稳压器可提供+5 V、+3.3 V或+3 V调节输
出电压。该器件还内置有+1.25 V和+2.5 V精密基准电压源。
因此,AD421不需要外接独立的稳压器和基准电压源。外
部元件只需若干无源元件和一个调整管,用于扩充大环路
电压范围。
AD421可以结合标准HART FSK协议通信电路使用,而且
额定性能不会受到影响。高速串行接口能够以10 Mbps速
率工作,并允许通过一个标准三线式串行接口与常用的微
处理器和微控制器简单相连。
这款DAC采用Σ-Δ架构,可保证16位单调性,且积分非线
性为±0.01%。该器件提供4 mA零电平输出电流(失调误差
为±0.1%),以及20 mA满量程输出电流(增益误差为±0.2%)。
AD421提供以下两种封装:16引脚、0.3英寸宽、塑料DIP
封装和16引脚、0.3英寸宽、SOIC封装。该器件的额定温
C1 C2 C3
产品聚焦
1. AD421是一种高性能、低成本的单芯片解决方案,可产
生4 mA至20 mA信号,非常适合工业控制领域智能发射
器应用。
2. AD421的稳压电源可用于给发射器中的任何其它电路
供电。调节输出值能够通过引脚进行选择,可以为+3
V、+3.3 V或+5 V。
3. AD421的片内基准电压源可以给系统中的其它器件提
供精密基准电压。基准电压大小可为+1.25 V或+2.5 V。
4. AD421完全兼容标准HART电路或其它类似的FSK协
议。
5. 通过添加单个分立晶体管,AD421可以在最低VCC + 2 V
至该调整管的击穿电压范围内工作。
6. AD421可将数字数据转换为电流,并可保证16位分辨
率和单调性。满量程±0.1%建立时间通常不超过8 ms。
7. AD421具有可编程报警电流功能,允许发射器通过发
送超量程电流来指示传感器故障。
度范围为-40°C至+85°C工业温度范围。
HART是HART通信基金会的注册商标。
Rev. C
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AD421–环路供电技术规格
B级2
参数
输出特性
电流环路顺从电压3
满量程建立时间
输出阻抗
交流环路电压灵敏度
稳压器
输出电压(VCC)
3 V模式
3.3 V模式
5 V模式
外部电流
电压调整率
负载调整率
DAC技术规格
(使用DN25D1作为调整管,如图3所示;
除非另有说明,REF IN = REF OUT2;TA = TMIN至TMAX)
单位
条件/注释
VCC + 2
350
8
25
2
V(最小值)
V(最大值)
ms(典型值)
MΩ(典型值)
μA/V(典型值)
2.95/3.05
3.25/3.35
4.95/5.05
3.25
1
15
V(最小值/最大值)
V(最小值/最大值)
V(最小值/最大值)
mA(最小值)
μV/V(典型值)
μV/mA(典型值)
DN25D击穿电压
0.1%建立时间,C1 = C2 = 10 nF且C3 = 3.3 nF
1200 Hz至2200 Hz
3 V标称值。LV引脚连接到VCC
3.3 V标称值。LV引脚通过0.01 μF电容连接到VCC
5 V标称值。LV引脚连接到COM
假定环路中的电流为4 mA
(除非另有说明,VCC = +3 V至+5 V;REF IN = REF OUT2;TA = TMIN至TMAX)
B级2
单位
条件/注释
精度
分辨率
单调性
积分非线性
失调(4 mA)(+25°C时)4
失调漂移
典型输出误差(20 mA) (+25°C时)4
总输出漂移
VCC电源灵敏度
16
16
± 0.01
± 0.1
± 25
± 0.2
± 50
50
位
位(最小值)
% FS(最大值)
% FS(最大值)
ppm FS/°C(最大值)
% FS(最大值)
ppm FS/°C(最大值)
nA/mV(最大值)
FS = 满量程输出电流
VCC = 5 V
包括片内基准电压漂移
VCC = 5 V
包括片内基准电压漂移
25 nA/mV(典型值)
基准电压源
REF OUT2
输出电压
温漂
2.49/2.51
± 40
V(最小值/最大值)
ppm/°C(最大值)
外部电流
VCC电源灵敏度
输出阻抗
噪声(0.1 Hz–10 Hz)
REF OUT1
输出电压
温漂
0.5
150
3
6
mA(最小值)
μV/V(最大值)
Ω(典型值)
μV峰峰值(典型值)
1.24/1.26
± 50
V(最小值/最大值)
ppm/°C(最大值)
外部电流
VCC电源灵敏度
输出阻抗
噪声(0.1 Hz–10 Hz)
REF IN
输入电阻
0.5
150
3
4
mA(最小值)
μV/V(最大值)
Ω(典型值)
μV峰峰值(典型值)
40
kΩ(典型值)
0.75 × VCC
0.25 × VCC
± 10
± 10
二进制
10
V(最小值)
V(最大值)
µA(最大值)
µA(最大值)
+2.95至+5.05
V(最小值)至V(最大值) 最高可在7 V下工作
650
750
µA(最大值)
µA(最大值)
参数
数字输入
VIH(逻辑1)
VIL(逻辑0)
IIH
IIL
数据编码
数据速率
电源
工作范围
静态电流
VCC = 3 V时
VCC = 5 V时
2.5 V标称值
从–40°C到+25°C时,典型值为20 ppm/°C
从+25°C到+85°C时,典型值为–2.5 ppm/°C
15 μV/V(典型值)
1.25 V标称值,且COM连接100 kΩ负载5
从–40°C到+25°C时,典型值为20 ppm/°C
从+25°C到+85°C时,典型值为2 ppm/°C
15 μV/V(典型值)
VIN = VCC
VIN = 0 V
Mbps(最大值)
475 μA(典型值)
575 μA(典型值)
注释
DN25D由Supertex, Inc.公司提供,该公司地址为1350 Bordeaux Drive, Sunnyvale, CA 94089。
温度范围为–40°C至+85°C。
3
最大电流环路顺从电压取决于调整管的击穿电压;对于DN25D,电压最大值为350 V。
4
VCC = 3 V时,传递函数通常会出现0.25%的负偏移;此时在COM和LOOPRTN引脚之间连接一个16 kΩ的电阻,将可大致补偿通过偏斜AD421的增益而从5 V移至3 V时
的VCC电源灵敏度。
5
如果在应用电路中使用了此基准电压源,则只需100 kΩ电阻。
规格如有变更恕不另行通知。
1
2
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时序特性1, 2, 3
(除非另有说明,VCC = +3 V至+5 V,TA = TMIN至TMAX)
参数
(B级)
单位
条件/注释
tCK
tCL
tCH
tDW
tDS
tDH
tLD
tLL
tLH
100
50
50
30
30
0
50
50
50
ns(最小值)
ns(最小值)
ns(最小值)
ns(最小值)
ns(最小值)
ns(最小值)
ns(最小值)
ns(最小值)
ns(最小值)
数据时钟周期
数据时钟低电平时间
数据时钟高电平时间
数据稳定宽度
数据建立时间
数据保持时间
锁存延迟时间
锁存低电平时间
锁存高电平时间
注释
1
通过产品初始发布时的特性保证,但未经过生产测试。
参见图1和2。
3
所有输入信号均指定tr = tf = 5 ns(10%至90%的VCC)并从(VIN + VIL )/2电平起开始计时;任何数字输入端的tr和tf均不应超过1 μs。
2
规格如有变更恕不另行通知。
图1. 串行接口波形(正常数据加载)
图2. 串行接口时序图
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绝对最大额定值*
引脚配置
DIP和SOIC
(除非另有说明,TA = +25°C)
DRIVE、BOOST、COMP至COM.............–0.5 V至VCC + 0.5 V
LOOP RTN至COM .................................................. –2 V至+ 0.5 V
数字输入电压至COM...................................–0.5 V至VCC + 0.5 V
工作温度范围
商用(B级) .............................................................. -40℃至+85℃
存储温度范围 ..............................................-65℃至+150℃
结温 ......................................................................................+150℃
塑料DIP封装功耗 ...............................................................670 mW
θJA热阻............................................................................. 116°C/W
引脚温度(焊接,10秒)...................................................... 260°C
SOIC封装功耗 .....................................................................450 mW
θJA热阻............................................................................. 110°C/W
引脚温度,焊接
气相(60秒) .....................................................................+215℃
红外(15秒) .....................................................................+220℃
*
注意,超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏。这只是额定
最值,不表示在这些条件下或者在任何其它超出本技术规范操作章节中所
示规格的条件下,器件能够正常工作。长期在绝对最大额定值条件下工作
会影响器件的可靠性。
订购指南
型号
AD421BN
AD421BR
AD421BRRL
EVAL-AD421EB
温度范围
-40℃至+85℃
-40℃至+85℃
-40℃至+85℃
评估板
*N = 塑料DIP,R = SOIC。
警告
ESD(静电放电)敏感器件。静电电荷很容易在人体和测试设备上累积,可高达4000V,并可能在没有察觉
的情况下放电。尽管这些器件具有专有ESD保护电路,但在遇到高能量静电放电时,可能会发生永久性
器件损坏。因此,建议采取适当的ESD防范措施,以避免器件性能下降或功能丧失。
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封装选项*
N-16
R-16
R-16;卷盘式SOIC
引脚功能描述
引脚编号
引脚名称
功能
1
REF OUT1
基准电压输出1。此引脚提供+1.25 V精密基准电压。其旨在用作发射器中其它器件的精密基准电压源。REF OUT1是可
向外部电路提供高达0.5 mA电流的缓冲输出端。如果要求REF OUT 1提供灌电流,则应在COM上添加100 kΩ阻性负
载。(请参见“基准电压源”部分。)
2
REF OUT2
基准电压输出2。此引脚提供+2.5 V精密基准电压。AD421采用自身基准电压源工作时,REF OUT2应连接到REF IN。
该引脚还可以用作发射器中其它器件的精密基准电压源。REF OUT2是可向外部电路提供高达0.5 mA电流的缓冲输出
端。
3
REF IN
4
LV
基准电压输入。AD421的基准电压施加于此引脚,用于设置AD421的量程。为了保证能够正常工作,AD421的标称基
准电压为+2.5 V。此电压输入可以采用外部基准电压源或通过器件自身的REF OUT2电压来施加。
调节电压控制输入。LV输入控制伺服放大器的环路增益,来设置VCC。通过将LV连接到COM,稳压器电压可设置为5
V(标称值)。如果LV输入通过0.01 μF电容连接到VCC,则调节电压标称值为3.3 V。而在LV连接到VCC时,VCC调节电压
的标称值为3 V。
5
LATCH
DAC锁存输入。逻辑输入。LATCH信号上升沿将串行输入移位寄存器中的数据载入到DAC锁存器,从而更新DAC输
出。锁存脉冲之间的时钟周期数决定DAC是处于报警电流模式,还是处于正常电流模式。(请参见“数字接口”部分。)
6
CLOCK
数据时钟输入。DATA输入端上的数据在此CLOCK输入的上升沿逐个输入移位寄存器。此时钟的周期等于输入串行数
据比特率。此串行时钟速率最高可达10 MHz。如果LATCH脉冲之间存在16个时钟周期,那么DATA输入端上的数据视
为正常的4–20 mA数据输入。如果LATCH脉冲之间的时钟周期超过16个,则该数据假定为报警电流数据(请参见“数字
接口”部分)。
7
DATA
数据输入。要载入至AD421输入移位寄存器的数据施加于此输入端。数据在CLOCK输入的上升沿必须有效。
8
LOOP RTN
环路回流输出。LOOP RTN是电流环路中电流的回流路径。
9
COM
公共地。这是AD421模拟和数字输入与输出,以及稳压器输出的参考电位。
10
C3
滤波电容。此引脚和COM之间应该连接一个具有低电介质吸收性能的电容(陶瓷电容),从而实现开关电流源的内部滤
11
C2
滤波电容。请参见C3描述。
12
C1
滤波电容。请参见C3描述。
13
DRIVE
波。
稳压器环路的输出。DRIVE信号负责控制外部调整管,从而建立并维持由LV输入端设定的正确VCC电平,同时在环路
电流从4 mA设定至20 mA时提供必要的偏置。
14
COMP
补偿电容输入。为了让由稳压器运算放大器和外部调整管构成的反馈环路稳定下来,需要在COMP和DRIVE之间连接
一个电容。
15
BOOST
此集电极开路引脚可以从环路中吸入必要电流,从而使得流入BOOST的电流和流入COM的电流总和等于设定的环路
电流。
16
VCC
电源。VCC是AD421的电源输入,同时还提供由外部调整管驱动的稳压器输出。它可用于实现AD421自身偏置,也可用
于为智能发射器电路的其余部分供电。LV输入决定标称调节电压输出要么为3 V,要么为3.3 V或5 V。此外,可以在此
引脚上连接独立电源来给AD421供电。VCC应通过一个2.2 μF电容去耦合至COM。
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表I. FET特性
电路描述
AD421设计用于环路供电型4–20 mA智能发射器应用。作为
FET类型
N沟道耗尽型
一种远程仪器,智能发射器在其获得电源的相同线对上控
IDSS
24 mA(最小值)
BVDS
(VLOOP – VCC)(最小值)
控制器的数字数据转换成模拟格式的DAC功能;负责设定
VPINCHOFF
VCC(最大值)
环路中电流的电流放大器;以及负责从环路电源提供稳定
功耗
24 mA × (VLOOP – VCC)(最小值)
工作电压的稳压器。该器件还内置一个高速串行接口、两
其中,VCC是AD421的工作电压,而VLOOP是环路电压。
个缓冲输出基准电压源和一个时钟振荡器电路。下文将详
Supertex1公司制造的DN25D FET晶体管满足以上所有针对
FET的要求。其它适用晶体管包括ND2020L和ND2410L,
这两者均由Siliconix公司制造。
制电流输出信号。基本而言,AD421负责提供智能发射器
中的三大主要功能。这些功能分别为:负责将微处理器/微
细介绍AD421的不同部分。
稳压器
稳压器由一个运算放大器、一个带隙基准电压源和一个外
部耗尽型FET调整管组成。之所以需要此电路,是为了稳
定给AD421自身及发射器电路其余部分供电的环路电压。
图3显示了AD421的稳压器部分,以及VCC = 3.3 V时的相关
外部电路。
为了补偿稳压器环路并确保稳定工作,需要采用若干外部
元件。而连接在VCC引脚与COM引脚之间的电容就是用于
稳定稳压器环路的。
要为稳压器环路提供其它补偿,则应在COMP和DRIVE引
脚之间连接一个0.01 μF的补偿电容,并应在DRIVE和COM
之间连接一个由一个1 kΩ电阻和一个1000 pF电容串联构成
的外部电路,从而稳定由稳压器运算放大器和外部调整管
构成的反馈环路。
DAC部分
AD421内置一个16位Σ-Δ型DAC,可将载入输入锁存器的
数字信息转换成电流。由于本身可在高分辨率下保持单调
性,Σ-Δ架构特别适合带宽要求相对较低的工业控制环
境。AD421可以保证16位水平的单调性。
图3. 用于提供VCC = 3.3 V的AD421稳压器电路
LV引脚上的信号通过更改运算放大器反相输入端和VCC引
脚之间电阻分压器的增益,来选择VCC要稳定的目标电压
值。随着LV引脚在COM和VCC之间变化,稳压器环路的电
压输出标称值会在3 V和5 V之间变化。LV连接到COM时,
调节电压为5V;LV通过一个0.01 μF电容连接到VCC时,调
节电压为3.3V,而如果LV连接到VCC,则调节电压为3 V。
图3所示配置可以使用的环路电压范围是由FET击穿电压和
饱和电压确定的。必须选择Vgs(off)、IDSS和跨导等外部FET
的参数,以便DRIVE引脚上的运算放大器输出在V CC 至
COM的范围上摆动时可以正确控制FET的工作点。
选择FET调整管时应注意的主要特性如下:
该器件上的Σ-Δ型DAC由一个二阶调制器和一个连续时间
滤波器组成。来自调制器的单比特码流控制着一个开关电
流源。然后,该电流源由三个电阻电容滤波器部分进行滤
波处理。各滤波器部分的电阻均为片内电阻,而电容则是
连接在C1–C3引脚上的外部电容。为满足器件上的指定满
量程建立时间,需要使用具有低电介质吸收性能的电容
(NPO)。这些电容的合适值分别为C1 = 0.01 μF、C2 = 0.01 μ
F且C3 = 0.0033 μF。
电流放大器
DAC输出电流驱动第二部分电路,即充当电流放大器的一
个运算放大器和NPN晶体管,用以设定从LOOP RTN引脚
流出的电流。图4显示了AD421的电流放大器部分。DAC
输出和环路回流之间连接的80 kΩ电阻用作采样电阻来决
定电流大小。NPN晶体管的基极驱动电路伺服于通过40 Ω
电阻的电压,以使其等于80 kΩ电阻两端的电压。
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基准电压源部分
AD421内置一个1.21 V片内带隙基准电压源,该电压源用作稳
压器环路的一部分。带隙基准电压源还可用于产生两个基准
电压,以供在AD421之外使用。图5显示了AD421的基准电压
源部分。REF OUT1引脚提供+1.25 V缓冲基准电压,可提供最
高0.5 mA的外部电流。REF OUT2引脚提供+2.5 V基准电压,
同样可提供0.5 mA的外部电流。要让AD421采用自身的基准电
压源来工作,只需将器件的REF OUT2引脚连接到REF IN引
图4. 电流放大器
BOOST引脚通常连接到VCC引脚。随着DAC输入代码在零电平
至满量程范围内变化,NPN晶体管的输出电流以及总环路电
流会在4 mA至20 mA范围内变化。当BOOST和VCC互连时,外
部FET(DN25D)必须能够提供4 mA至20 mA这整个范围内的环
路电流。
脚。另外,该器件可以结合外部基准电压源使用,方法是将
外部基准电压源连接在REF IN和COM之间。
在应用电路中使用REF OUT1和REF OUT2时,需要在基准电压
引脚上连接4.7 μF的外部电容,以提供补偿并确保基准电压源工
作稳定。如果无需内部基准电压源,则可以省去这些电容。
数字接口
AD421上的数字接口仅由以下三条线组成:DATA、CLOCK和
LATCH。该接口可直接连接到通用微控制器的串行端口,而
无需任何外部胶连逻辑。数据以MSB优先方式在CLOCK信号
的上升沿载入至输入移位寄存器,然后在LATCH信号的上升
沿被送入DAC锁存器。串行接口的时序图如图1和图2所示。
要载入至AD421输入移位寄存器的数据存在以下两种形式:正
常的4 mA至20 mA数据或报警电流数据。第一种形式是AD421
在其正常的4 mA至20 mA输出范围内工作且这些端点之间分辨
图5. 基准电压源部分
率为16位时的情况。而第二种形式则允许用户设定一个此范围
之外的电流值作为来自发射器的一条指示,表示传感器存在问
REF OUT2会受到内部检测,如果外部从此基准电压源抽取的
题。AD421会对自身在LATCH信号之间收到的时钟脉冲进行
电流超过0.5 mA,芯片会进入上电复位状态。在这种状态下,
计数,并利用该计数来确定要逐个输入的数据是4mA至20mA
Σ-Δ型DAC禁用、内部振荡器停止且输入数据锁存清零。
数据,还是报警电流数据。
REF OUT1的吸电流功能有限。如果要求REF OUT1提供吸电
如果连续的LATCH脉冲之间存在16个上升时钟沿,那么载入
流,则在4.7 μF电容之外还应在COM上连接一个100 kΩ的阻性
至输入移位寄存器的数据假定为4 mA至20 mA数据。在LATCH
负载。
信号的上升沿,输入移位寄存器数据以16位并行传输形式被送
使用AD421
入DAC锁存器。这种情况下,DAC锁存器中的16位数据会设
AD421可以设置为正常的4 mA至20 mA工作模式或报警电流工
置4mA(全0)和20mA(全1)之间的输出电流(参见表II)。送入
作模式。在正常工作模式下,编码为16位直接(自然)二进制
AD421的数据应为MSB优先。
码,且输出电流范围为4 mA至20 mA。在报警电流工作模式
如果连续的LATCH脉冲之间存在16个以上的时钟脉冲,那么
下,编码也为直接二进制码,不过在两倍范围(0 mA至32 mA)
载入至输入移位寄存器的数据假定为报警电流数据。这种情况
分辨率为17位,尽管不应设置器件在3.5 mA至24 mA范围之外
下,AD421的移位寄存器接受17位数据。对于串行写操作中存
工作。为了判断写入的数据是正常的4 mA至20 mA数据还是报
在17个以上时钟的情况(例如,在来自微控制器串行端口的一
警电流数据,器件会对两个连续LATCH脉冲之间的时钟脉冲
个3 × 8位传输中存在24个时钟),AD421仅接受串行写操作的最
进行计数。如果脉冲数为0–16(模32),选择的是正常模式;如
后17位。此串行写操作中传输的数据是LSB靠后(例如,MSB是
果为17–31(模32),则选择的是报警电流范围。
在LATCH脉冲之前的第17个上升时钟沿载入的)。在LATCH信
4 mA至20 mA编码
号的上升沿,输入移位寄存器数据以17位并行传输形式被送入
表II显示的是正常工作模式下AD421输入代码与输出电流之间
DAC锁存器。这种情况下,DAC锁存器中的17位数据会设置
的理想关系。所示输出电流值假定REF IN电压为+2.5 V。当
0mA(全0)和32mA(全1)之间的输出电流(参见表III)。不过,实
REF IN电压为+2.5 V时,1 LSB = 16 mA/65,536 = 244 nA。图6显
际操作中,AD421无法可靠地产生低于3.5 mA或超过24 mA的
示的是设置AD421在4 mA至20 mA正常工作模式下的时序图,
电流。
其中AD421的输出电流为11.147 mA。由于连续锁存信号之间存
在16个时钟脉冲,数据写入为正常的4 mA至20 mA工作。
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表II. 4 mA至20 mA工作模式下的理想
输入/输出代码表
代码
输出电流
0000 0000 0000 0000
0000 0000 0000 0001
0000 0000 0000 0010
0100 0000 0000 0000
1000 0000 0000 0000
1100 0000 0000 0000
1111 1111 1111 1101
1111 1111 1111 1110
1111 1111 1111 1111
4 mA
4.000244 mA
4.000488 mA
8 mA
12 mA
16 mA
19.999268 mA
19.999512 mA
19.999756 mA
图7. 设置报警电流数据时的写入周期
微处理器接口
AD421 – MC68HC11(SPI总线)接口
图8显示的是AD421和Motorola MC68HC11 SPI(串行外设接
口)总线之间的典型接口。68HC11的SCK、MOSI和SS引脚分
别连接到AD421的CLOCK、DATA IN和LATCH引脚。
图8. AD421至68HC11接口
图6. 4 mA至20 mA工作模式下的写入周期
报警电流编码
表III显示的是报警电流工作模式下AD421输入代码与输出
电流之间的理想关系。这种情况下,等效范围为0 mA至32
mA,不过可靠工作范围为3.5 mA至24 mA。对于下表给定
范围之外的代码值,该器件可能会给出不确定的输出。因
此,建议用户将在报警电流模式下给该器件设置的代码限
制在表III所示的范围内。图7显示的是通过8位微控制器使
用三个8位写操作向AD421载入3.75 mA报警电流时的时序
图。
下文所示之类的典型程序以初始化各种SPI数据和控制寄存器
开始。
所示输出电流值假定REF IN电压为+2.5 V。当REF IN电压
为+2.5 V时,理想情况下,1 LSB = 32 mA/131,072 = 244
nA。
表III. 报警电流工作模式下的理想
输入/输出代码表
代码
输出电流
0 0011 1000 0000 0000
3.5 mA
0 0011 1100 0000 0000
3.75 mA
0 0100 0000 0000 0000
4 mA
通过索引至PORTD数据寄存器将SS引脚驱动为低电平并将位5
0 1000 0000 0000 0000
8 mA
清0。然后,MSBY被送入SPI数据寄存器,接着自动被送入
1 0000 0000 0000 0000
16 mA
AD421内部移位电阻。
1 0100 0000 0000 0000
20 mA
1 0110 0000 0000 0000
22 mA
1 1000 0000 0000 0000
24 mA
SPI数据端口配置为处理8位字节形式的数据。从存储器读取
最高有效数据字节(MSBY),然后由SENDAT程序进行处理。
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HC11产生必要的八个时钟脉冲,且数据在上升沿有效。
发送MSBY之后,从存储器载入最低有效字节(LSBY),并
以类似方式进行发送。当完整的16位字载入AD421时,
LATCH引脚变为高电平,从而完成传输。
AD421至MICROWIRE接口
AD421灵 活 的 串 行 接 口 也 与 美 国 国 家 半 导 体 公 司 的
MICROWIRE接口兼容。MICROWIRE接口用于COP400和
COP800系列处理器之类的微控制器中。使用MICROWIRE
接口的通用接口如图9所示。MICROWIRE接口的G1、SK
和SO引脚分别连接到AD421的LATCH、CLOCK和DATA
IN引脚。
图10. 光隔离接口
应用部分
基本工作配置
图9. AD421至MICROWIRE接口
光隔离接口
AD421具有一个多功能三线式串行接口,非常适合用于将
隔离数字系统和控制环路所需的控制线路数量减至最少。
在本安型应用中,或出于噪声、安全要求或距离方面的考
虑,可能需要将AD421和控制器隔离开来。这可以通过使
用光隔离器轻松实现。图10显示的是与AD421连接的光隔
离接口,其中CLOCK、DATAIN和LATCH均从光耦合器
驱动。请注意光耦合器上的信号翻转。如果使用的是上升
时间和下降时间相对较短的光耦合器,则可能需要在数字
图11显示的是AD421在5 V下工作时的基本连接示意图。此
电路显示的是使用最少外部元件来操作AD421的情况。在
该 图 中 , AD421的 稳 压 器 环 路 与 DN25D调 整 管 一 起 为
AD421自身和发射器中的其它器件提供VCC电压。VCC引脚
应该使用一个2.2 μF电容进行充分去耦,从而确保稳压器工
作稳定并吸收AD421和系统中其它器件的VCC线路上的电源
毛刺。如果AD421在VCC = 3 V下工作,则传递函数会出现
负偏移。要校正此偏移,需要在COM和LOOPRTN之间连
接一个16 kΩ电阻,这样将可大致地补偿通过调整AD421的
增益而从5 V移至3 V时出现的VCC电源灵敏度。
输入端上连接施密特触发器,以免将错误数据提供给
DAC。
图11.基本连接图
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为了让由稳压器运算放大器和外部调整管构成的反馈环路
稳定下来,需要在COMP和DRIVE之间连接一个0.01 μF电
容。同时需要在DRIVE引脚和COM之间连接一个由1 kΩ电
阻和1000 pF电容组成的外部缓冲器电路,并在COMP和
DRIVE之间连接一个0.1 μF电容,从而稳定由稳压器运算
放大器和外部调整管构成的反馈环路。
AD421上的2.5V内部基准电压源用作AD421的基准电压
源,并必须使用一个4.7μF电容进行去耦,以进行补偿并确
保稳定性。该器件上的Σ-Δ型DAC由一个二阶调制器和一
个连续时间滤波器组成。各滤波器部分的电阻均为片内电
阻,而电容则是连接在C1–C3引脚上的外部电容。为满足
器件上的指定满量程建立时间,需要使用具有低电介质吸
收性能的电容(NPO)。这些电容的合适值分别为C1 = C2 =
0.01 μF且C3 = 0.0033 μF。
AD421上 的 数 字 接 口 仅 由 以 下 三 条 线 组 成 : DATA、
CLOCK和LATCH。该接口可直接连接到通用微控制器的
串行端口,而无需任何外部胶连逻辑。数据在CLOCK信号
的上升沿载入至输入移位寄存器,然后在LATCH信号的上
升沿被送入DAC锁存器。
降低外部FET上的功率负载
在图12所示电路中,器件通过添加外部NPN晶体管来降低
FET上功率负载。FET将给VCC供电,而外部高电压NPN双
极性晶体管可以输送BOOST电流。该BOOST引脚可以从环
路中吸入必要电流,从而使得流入BOOST的电流和流入
COM的电流总和等于设定的环路电流。外部NPN晶体管可
以将FET必须输送的外部功率负载降至750μA以下(如果没
有任何其它元件共享VCC线路)和4mA以下(在与AD421共享
同一VCC线路的应用中)。
智能发射器
AD421设计用于4 mA至20 mA智能发射器。智能发射器集
成微处理器系统,后者用于实现线性化和通信。图13显示
了一个典型智能发射器的框图。在此示例中,发射器并不
具备任何数字通信功能。
图13. 典型的智能发射器
图14显示了使用AD421的典型智能发射器应用电路。
发射器处测得的传感器电压通过AD7714或AD7715等高分
辨率Σ-Δ型转换器进行转换。这些器件均具有片内PGA,
可在模拟前端提供1至128的增益。这使得模拟输入范围可
以低至10 mV,从而允许直接将传感器连接到ADC。AD7714
/AD7715配备数字校准技术,可用于消除增益和失调误
差。另外还提供了后台校准技术;器件会持续校准自身,
而用户无需浪费精力去发出周期校准命令来消除时间和温
度漂移效应。
在正常工作模式下,微处理器从AD7714/AD7715读取数
据。数据经过微控制器处理之后,从处理器的串行端口送
入AD421,从而通过4至20 mA环路传回至控制中心。AD421
调节环路电压,从而为发射器电路的其余部分供电。在图
14中,通过将LV引脚经由0.01 μF连接到VCC,获得的VCC电
压为3.3V。REF OUT2给AD421自身提供基准电压,而REF
OUT1则给AD7714/AD7715提供基准电压。
图12. 外部NPN晶体管降低FET上的功率负载
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图14. 智能发射器应用中的AD421
HART接口
HART协议采用基于Bell 202通信标准的频移键控(FSK)技
术,该标准是用于通过电话线传送数字信号的数个标准之
一。利用该技术,可以将数字通信叠加到4 mA至20 mA电
流环路,而该环路则将中央系统连接到现场的发射器。这
里使用两种不同的频率1200 Hz和2200 Hz来分别代表二进
制中的1和0,如图15所示。这些正弦波信号音以低电平和
正弦波信号平均值为零的形式叠加在直流信号上,从而允
许同时进行模拟和数字通信。另外,无论线路中是否发送
数字信号,都不会有直流分量叠加到现有4 mA至20 mA信
号上。因此,现有的模拟仪表仍可在采用HART协议的系
统中正常运行,因为通常采用的低通滤波器可有效消除数
字信号。一个单极点10 Hz低通滤波器可将通信信号有效降
低至一个相当于满量程信号±0.01%左右的纹波。HART协
议指定主机控制系统或手持式终端等主机发送电压信号,
而从机或现场器件则发送电流信号。电流信号通过环路负
载电阻转换成相应的电压。
图15. HART发送数字信号
图16显示了一个智能发射器的框图。在智能发射器中,微
控制器的功能是在获得主测量信号、存储发射器自身、其
应用数据及其位置相关信息和管理通信系统三者之间共享
的,从而使得可将两种形式的通信叠加到传输测量信号的
相同电路中。采用HART协议的智能发射器就是智能发射
器的一个例子。
图16. 智能发射器
图17显示了一个在HART发射器应用中使用AD421的例
子。大多数电路都像图14中所示智能发射器中列出的。发
射器使用带通滤波器和调制解调器收到环路上发送的
HART数据,然后将HART数据发送至微控制器的UART或
异步串行端口。要在环路上发送的HART数据从微控制器
的UART或异步串行端口发送至调制解调器。接着,经过
波形形成之后,耦合至AD421在C3引脚上的输出端。耦合
电容CC的值由波形形成器输出和AD421的C3电容决定。包
含Bell 202调制解调器、波形形成器和带通滤波器的模块以
带有20C15(来自Symbios Logic, Inc.公司)或HT2012(来自
SMAR Research Corp公司)的完整解决方案形式提供。
有关更为完整的AD421-20C15接口,请参阅ADI公司网站
(www.analog.com)上的应用笔记AN-534或联系当地代理
商。
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图17. HART发射器应用中的AD421
电流源
图18显示的是将AD421用作电流源的应用电路。给AD421
(4 mA-20 mA)设置的电流将在R1上产生电压。由于负反
馈,R2上也将产生相同的电压。R1与R2的比值决定负载
电阻RL中的电流。IL = [1 + R1/R2] × IPROG,其中IL是负载电
阻RL中的电流,而IPROG是给AD421设置的电流。R1和R2与
AD421外部相连,并必须是匹配电阻,以便获得高度精确
的电流源。
图18. 可编程源电流/吸电流中的AD421
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备用电池
图19显示的是AD421的应用电路,其中电路的微控制器和
存储器部分受到保护,可防止在环路损坏时出现数据丢
失。失去VCC电源时,备份电路可以从VCC切换至电池电
压,而不会出现毛刺。IRFF9113在正常工作期间用作电流
源,并给超级电容和镍镉电池提供连续充电电流。丧失
VCC时,IRFF9113的栅极电压降至0V,从而允许电池或超
级电容电流流过MOSFET沟道和体二极管来给微控制器和
存储器部分供电。要校准此电流,可与电池或超级电容串
联一个电流表。然后,在连接VCC和负载的情况下,调整
100 kΩ电位器来获得电池或超级电容制造商建议的电池充
电电流。
此应用中不应使用非充电电池,否则可能发生爆炸。
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图19. 备用电池电路
外形尺寸
图示尺寸单位:inch和mm。
16引脚塑料DIP
(N-16)
16引脚(宽体)小型封装
(R-16)
©2006 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
D2105b-0-3/00(rec.C)
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