简化用于过程控制的模拟输入模块的设计
cathal casey
为可编程逻辑控制器(plc)或分布式控制系统(dcs)模块等过程控制应用设计模拟输入模块时，主要权衡因素通常是性价比。传统上，此应用领域使用双极性±15 v 电源轨来提供有源前端组件，用于输入信号的衰减或增益。这会影响物料清单(bom)的成本，而创建隔离双极电源会增加设计的复杂性。为了节省成 本，另一种方法是使用单个5v 电源设计架构。单个5v电源轨显著降低了模拟前端隔离电源设计的复杂性。但它会引入其他痛点，可能降低测量解决方案的精度。ad4111 进行了电压和电流测量所需的大量整合工作，并解决了5v 电源解决方案的局限性。
图1. ad4111功能框图。
集成前端
ad4111是一款24位∑-δ型adc，通过实现创新而简单的信号链，缩短了开发时间，降低了设计成本。它利用adi的专有ipassives™技术，将模拟前端和adc融合在一起。这使得 ad4111 能够接受 ±10 v 电压输入和 0 ma 至 20 ma 电流输入，同时无需外部组件即可在单个 5v 或 3.3v 电源下工作。电压输入指定为 ±20v 的超量程，在此范围内，该器件仍可在电压引脚上提供有效转换和 ±50v 的绝对最大规格。电流输入指定为 -0.5 ma 至 24 ma 的范围，可实现接近0 ma的准确电流测量，提供精确的24 ma转换。ad4111的电压输入保证最小阻抗为1mω。这样可以去除±15 v外 部缓冲器，进一步节省电路板空间和bom成本。5 v 设计要求每个电压输入必须有一个高阻抗分压器，这会占用电路板空间。离散解决方案的设计需要权衡精密电阻的成本与精度。为了解决这个问题，ad4111在每个输入端采用了一个高阻抗精密分压器，如图3所示。
开路检测
通常，单个5 v 设计的限制是缺少开路检测，一般是对15 v 电源轨使用高阻抗电阻，将开路连接拉至超出范围的电压。ad4111 采用5 v 或3.3v 电源提供独特开路检测功能，克服了这一问题。此方法将开路检测与超出范围的故障分开，进一步简化了诊断。通过在ad4111内部包含此功能，前端无需上拉电阻，因此也无需15 v电源，如图2所示。消除±15 v 电源减少了隔离电路的复杂性、面积和辐射。对于不需要开路检测的应用，可以使用另一种通用的ad4112。 该器件具有ad4111的所有优点，但没有开路检测。
图2. 典型高端解决方案。
系统级解决方案
ad4111 集成了基准电压和内部时钟，有助于进一步减小电路板尺寸并降低bom成本，同时允许使用外部组件，应付需要更高精度和更低温度误差转换的情况。图2和图3分别显示了典型的高端和低端解决方案。图2和图3中突出显示了可完全被ad4111 取代的信号链的比例。ad4111的总不可调整误差(tue)精度规范旨在达到系统级要求。对于许多解决方案，精度可能足以省略任何额外校准。在现有的高精度解决方案中，通常按通道对模块进行校准。ad4111 采用高匹配输入设计，因此校准一个输入便可所有输入上提供类似的精度。
图3. 典型低端解决方案。
emc测试
plc 和 dcs 模块通常在恶劣的工业环境中运行，并且必须承受电磁干扰(emi)的情况。在设计具有电磁兼容性(emc)功能的输入模块时，这会增加复杂性，因为大多数设备的额定值不适用于emc，因此设计输入保护和滤波电路就变得复杂起来。这可能显著增加设计和测试开发时间。emc 实验室租金昂贵，测试失败可能意味着长时间延迟，直到电路板可以重新设计和重新测试。ad4111 已经被设计成了一个印刷电路板(pcb)，演示了一个经过验证的emc解决方案。该电路板的特点是确保电路性能不会受到辐射射频(rf)或传导rf干扰的永久影响，并且已被证明具有足够的抗静电放电(esd)、电快速瞬变(eft)和浪涌的能力，符合iec 61000-4-x 标准集。该电路板还针对 cispr 11 进行了评估，其辐射发射水平远低于a类限值。有关 ad4111 emc pcb 的更多信息，请参阅an-1572。本应用笔记详细介绍了所用测试程序的所 有必要信息，以及为 ad4111 设计 emc 认证输入模块的电路板设计原理图和布局
结论
ad4111是一款高度集成的系统级adc，具有全面的可配置性。它能够接受±10 v电压输入和0 ma 至20 ma 电流输入，采用5 v 或3.3v 单电源供电，具有开路检测功能和许多其他功能，为模拟输入模块设计提供独特的解决方案。它采用6 mm × 6 mm、40 引脚 lfcs p封装，之前需要完整复杂pcb的模块现在可由单个器件替代。
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图1. ad4111功能框图。
集成前端
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开路检测
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图2. 典型高端解决方案。
系统级解决方案
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emc测试
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