【導讀】為可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(DCS)模塊等過(guò)程控制應用設計模擬輸入模塊時(shí)，主要權衡因素通常是性?xún)r(jià)比。傳統上，此應用領(lǐng)域使用雙極性±15 V 電源軌來(lái)提供有源前端組件，用于輸入信號的衰減或增益。這會(huì )影響物料清單(BOM)的成本，而創(chuàng )建隔離雙極電源會(huì )增加設計的復雜性。
為了節省成本，另一種方法是使用單個(gè)5V 電源設計架構。單個(gè)5V電源軌顯著(zhù)降低了模擬前端隔離電源設計的復雜性。但它會(huì )引入其他痛點(diǎn)，可能降低測量解決方案的精度。AD4111 進(jìn)行了電壓和電流測量所需的大量整合工作，并解決了5V 電源解決方案的局限性。
圖1. AD4111功能框圖。
集成前端
AD4111是一款24位∑-Δ型ADC，通過(guò)實(shí)現創(chuàng )新而簡(jiǎn)單的信號鏈，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了設計成本。它利用ADI的專(zhuān)有iPassives?技術(shù)，將模擬前端和ADC融合在一起。這使得 AD4111 能夠接受 ±10 V 電壓輸入和 0 mA 至 20 mA 電流輸入，同時(shí)無(wú)需外部組件即可在單個(gè) 5V 或 3.3V 電源下工作。電壓輸入指定為 ±20V 的超量程，在此范圍內，該器件仍可在電壓引腳上提供有效轉換和 ±50V 的絕對最大規格。電流輸入指定為 -0.5 mA 至 24 mA 的范圍，可實(shí)現接近0 mA的準確電流測量，提供精確的24 mA轉換。
AD4111的電壓輸入保證最小阻抗為1MΩ。這樣可以去除±15 V外 部緩沖器，進(jìn)一步節省電路板空間和BOM成本。5 V 設計要求每個(gè)電壓輸入必須有一個(gè)高阻抗分壓器，這會(huì )占用電路板空間。離散解決方案的設計需要權衡精密電阻的成本與精度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，AD4111在每個(gè)輸入端采用了一個(gè)高阻抗精密分壓器，如圖3所示。
開(kāi)路檢測
通常，單個(gè)5 V 設計的限制是缺少開(kāi)路檢測，一般是對15 V 電源軌使用高阻抗電阻，將開(kāi)路連接拉至超出范圍的電壓。AD4111 采用5 V 或3.3V 電源提供獨特開(kāi)路檢測功能，克服了這一問(wèn)題。此方法將開(kāi)路檢測與超出范圍的故障分開(kāi)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了診斷。通過(guò)在A(yíng)D4111內部包含此功能，前端無(wú)需上拉電阻，因此也無(wú)需15 V電源，如圖2所示。消除±15 V 電源減少了隔離電路的復雜性、面積和輻射。對于不需要開(kāi)路檢測的應用，可以使用另一種通用的AD4112。該器件具有AD4111的所有優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有開(kāi)路檢測。
圖2. 典型高端解決方案。
系統級解決方案
AD4111 集成了基準電壓和內部時(shí)鐘，有助于進(jìn)一步減小電路板尺寸并降低BOM成本，同時(shí)允許使用外部組件，應付需要更高精度和更低溫度誤差轉換的情況。圖2和圖3分別顯示了典型的高端和低端解決方案。圖2和圖3中突出顯示了可完全被AD4111 取代的信號鏈的比例。AD4111的總不可調整誤差(TUE)精度規范旨在達到系統級要求。對于許多解決方案，精度可能足以省略任何額外校準。在現有的高精度解決方案中，通常按通道對模塊進(jìn)行校準。AD4111 采用高匹配輸入設計，因此校準一個(gè)輸入便可所有輸入上提供類(lèi)似的精度。
圖3. 典型低端解決方案。
EMC測試
PLC 和 DCS 模塊通常在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運行，并且必須承受電磁干擾(EMI)的情況。在設計具有電磁兼容性(EMC)功能的輸入模塊時(shí)，這會(huì )增加復雜性，因為大多數設備的額定值不適用于EMC，因此設計輸入保護和濾波電路就變得復雜起來(lái)。這可能顯著(zhù)增加設計和測試開(kāi)發(fā)時(shí)間。EMC 實(shí)驗室租金昂貴，測試失敗可能意味著(zhù)長(cháng)時(shí)間延遲，直到電路板可以重新設計和重新測試。
AD4111 已經(jīng)被設計成了一個(gè)印刷電路板(PCB)，演示了一個(gè)經(jīng)過(guò)驗證的EMC解決方案。該電路板的特點(diǎn)是確保電路性能不會(huì )受到輻射射頻(RF)或傳導RF干擾的永久影響，并且已被證明具有足夠的抗靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌的能力，符合IEC 61000-4-x 標準集。該電路板還針對 CISPR 11 進(jìn)行了評估，其輻射發(fā)射水平遠低于A(yíng)類(lèi)限值。
結論
AD4111是一款高度集成的系統級ADC，具有全面的可配置性。它能夠接受±10 V電壓輸入和0 mA 至20 mA 電流輸入，采用5 V 或3.3V 單電源供電，具有開(kāi)路檢測功能和許多其他功能，為模擬輸入模塊設計提供獨特的解決方案。它采用6 mm × 6 mm、40 引腳 LFCS P封裝，之前需要完整復雜PCB的模塊現在可由單個(gè)器件替代。
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