如何利用MCU的完全隔離控制16位元輸出模組?

作者 : Thomas Brand,ADI現場應用工程師

如何設計微控制器控制的隔離式16位元輸出模組?請運用DAC的三晶片解決方案。

無論是在建築物、或是在生產廠房,如今,在任何地方都需要可編程控制器來調節各種生產過程、機器和系統,而這就涉及與相關元件連接的可編程邏輯控制器(PLC)或分散式控制系統(DCS)模組。為了控制這些元件,PLC或DCS模組通常具有提供電流輸出、電壓輸出或二者的組合的輸出模組。工業控制模組的標準類比輸出電壓和電流範圍為±5V、±10V、0V~5V、0V~10V、4mA~20mA和0mA~20mA。特別是在工業領域中,通常需要對微控制器(MCU)和輸出周邊進行電氣隔離。

傳統解決方案為採用離散式設計,其可將微控制器的數位訊號轉換為類比訊號,或提供不同的類比輸出,並且可以實現電氣隔離。但是,相較於整合式解決方案,離散式設計具有許多缺點。例如,元件數量多,導致系統非常複雜,以及電路板尺寸大、成本高等。短路耐受能力、或甚至故障診斷等其他特性更凸顯了這些缺陷。

比較好的解決方案,是在單一晶片上盡可能整合更多的功能,例如,ADI的高精準度16位元DAC AD5422。除了數位類比轉換,它還提供完全整合的可編程電流源和可編程電壓輸出,能夠滿足工業程序控制應用的需求。

圖1顯示可完全隔離控制輸出模組的類比輸出級的示例電路。它特別適合需要4mA~20mA標準電流輸出和單極性或雙極性輸出電壓範圍的程序控制應用中的PLC和DCS模組。本文中,AD5422與 ADuM1401 四通道數位隔離模組組合使用。

圖1 使用AD5422和ADuM1401實現類比輸出級隔離控制的簡化示例電路。

16位元DAC的輸出可透過串列周邊介面(SPI)配置。該模組並整合診斷功能,這在工業環境中相當實用。微控制器和DAC之間所需的絕緣電阻可透過ADuM1401實現,ADuM1401的四個通道用於與AD5422實現SPI連接:三個通道(LATCH、SCLK和SDIN)傳輸資料,第四個通道(SDO)接收資料。

特別是在工業應用中,必須提供能夠抗高干擾電壓的可靠輸出。IEC 61000等標準中規定了可靠性要求,例如,其中指定了有關電磁相容(EMC)的要求。為了符合這些標準,輸出端需要有額外的外部保護電路。一種可能的保護電路如圖2所示。

圖2 用於AD5422輸出的符合IEC 61000標準的保護電路。

電流輸出(IOUT)可以在4mA~20mA或0mA~20mA範圍內選擇設定。電壓輸出透過單獨的VOUT接腳提供,該接腳的電壓範圍可配置為0V~5V、0V~10V、±5V~±10,所有電壓範圍的超量程均為10%。兩個類比輸出都具有短路和開路保護功能,可以驅動1μF的電容負載和5 mH的電感負載。

AD5422需要10.8V~40V的類比電源(AVDD);對於數位電源電壓(DVCC),則需要2.7V~5.5V,或者,DVCC也可作為系統中其他元件的電源接腳或上拉電阻的終端。為此,DVCC_SELECT接腳應浮空,並向DVCC接腳施加內部4.5V LDO穩壓器電壓。最大可用電源電流為5mA,在所示電路中,DVCC用於向ADuM1401的電氣隔離端供電。

使用ADR4550 外部基準電壓源可從16位元DAC獲取高精度轉換結果。這是一款高精度、低功耗、低雜訊基準電壓源,最大初始精度為0.02%,具有出色的溫度穩定性和低輸出雜訊。

本文所示的電路特別適用於PLC或DCS模組的輸出模組,這些模組同時提供電流和電壓輸出,並且必須符合IEC 61000等EMC標準。

參考資料

AN-1519:利用單晶片電壓和電流輸出DAC AD5422及數位隔離器ADuM1401建構16位元全隔離輸出模組。ADI,2018年2月。

 

 

 

 

 

 

 

 

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