适合PLC/DCS应用的通道间隔离温度输入(热电偶/RTD)

2016-01-25 15:38:52来源: EEWORLD
电路功能与优势 

    图1所示电路提供一个双通道、通道间隔离的热电偶或RTD输入,适用于可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。 该高集成度设计采用低功耗、24位、Σ-Δ型模数转换器(ADC),带有丰富的模拟和数字特性,无需额外的信号调理IC。 
 
    
   图1. PLC/DCS通道间隔离温度输入(原理示意图:未显示去耦和所有连接) 
 
电路描述 
 
24位Σ-Δ型ADC集成可编程增益阵列(PGA)和基准电压源,为灵活地连接热电偶或RTD传感器提供完整的特性组合。 
 
其特性包括片内基准电压源、可编程增益阵列、激励电流、偏置电压发生器以及提供增强50 Hz和60 Hz抑制选项的灵活滤波。 AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封装,因而非常适合空间为重要考虑因素的通道间隔离设计。 它还包括多个可供用户使用的诊断功能。 
 
ADuM5010隔离式DC/DC转换器通过集成的isoPower®技术提供3.3 V隔离电源。ADuM1441用于隔离AD7124-4的串行外设接口(SPI)。AD7124-4微功耗隔离器空闲时每通道的功耗仅4.8 μA,能效非常高。ADP2441是36 V降压DC-DC稳压器,采用工业标准24 V电源,具有宽输入电压容差。ADP2441用于将输入电压降至3.3 V,从而为所有控制器侧电路供电。
 
系统概述 
 
通道间隔离在自动化系统中极具优势,因为特定输入通道的故障不会影响系统中的其它通道。 然而,通道间隔离输入模块给设计提出了重大挑战,具体表现在复杂度、空间限制和系统成本这些方面。 
 
热电偶或RTD输入是工业自动化系统的常用输入,因此,设计一个能够处理两者的温度输入模块很有用。 这种灵活性最大程度地减少了两种输入模块的设计工作,而且为模块用户提供了灵活性。 
 
AD7124-4显著降低了设计复杂度,提供一个片上系统,能够执行热电偶和RTD传感器所需的全部测量功能。
 
图1所示电路的每个通道大小仅有27 mm x 50 mm,若在印刷电路板(PCB)两面贴放器件,则上述面积可进一步缩小。 之所以能实现如此小的尺寸,是因为AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封装,并且集成了几乎所有必需的功能,除了隔离以及附加前端滤波和保护之外。 用于数据和电源隔离的隔离电路仅占用87 mm2,最小合并宽度为12.5 mm。 
 
端子连接 
 
图2显示了两个输入通道各自的端子连接。 这些引脚对应于硬件中的P1和P2(见图1)。 热电偶以及2/3/4线RTD连接如图所示。 


 
图2. 前端滤波和电路(简化图) 
 
输入滤波 
 
如图3所示,输入共模噪声滤波由R1、C1和R2、C2实现,截止频率约为50 kHz。 差分噪声滤波由R1、R2和C3实现,截止频率约为2.5 kHz。 务必以Σ-Δ调制器频率(全功率模式下为307 kHz)滤除任何干扰,这点特别重要。 建议调整这些滤波器的截止频率以满足系统带宽要求,共模滤波器的截止频率约为差分滤波器截止频率的10倍。 

 
图3. 前端滤波和电路(简化图) 
 
输入保护 
 
为保护输入不受过压状况影响,AD7124-4的每个输入路径上都放置了3 kΩ电阻。 此电阻值将30 V DC过压产生的电流限制在10 mA以下。 
 
考虑30 V电压连接在AIN+和AIN−之间的情况。 从AIN+朝里看,30 V电压看到R1 (3 kΩ),之后是内部ESD保护二极管,再后面是从AIN3朝外看到的3 kΩ电阻与从AIN4朝外看到的3 kΩ电阻并联。 忽略内部ESD保护二极管,AIN+与AIN−之间的总电阻为3 kΩ + 3 kΩ||3 kΩ = 4.5 kΩ。 因此,流经AD7124-4的电流限值为30 V ÷ 4.5 kΩ = 6.7 mA。 
 
RTD输入 
 
图1所示电路可连接到2线、3线或4线RTD。 最大可测量3.92 kΩ电阻,因此它适用于Pt100和Pt1000 RTD。 使用电流激励,电阻测量为RTD与3.92 kΩ精密基准电阻(RREF)之间的比率式测量结果。 如图3所示,RTD测量在AIN1和AIN3之间进行,REFIN1+和REFIN1−用作测量的基准输入。 激励电流设置如下: 
 
2线模式: 仅AIN0上的激励有效,设置为250 μA。 
 
3线模式: AIN0和AIN4上的激励电流均有效,各设置为100 μA。 
 
4线模式: 仅AIN0上的激励有效,设置为250 μA。 
 
使用高端电流检测技术。 对于较低的RTD引线电阻值,此技术可降低3线模式下电流失配的影响。 有关3线RTD配置的更多信息,参见电路笔记CN-0383。 
 
基准电阻(RREF)选择为3.92 kΩ,最高支持850°C的Pt1000 RTD测量(850°C时RTD电阻为3.9048 kΩ)。 RREF的值必须根据RTD的最大预期电阻来选择。 RREF电阻的精度直接影响测量精度,因此,必须使用精密、低漂移电阻。 
 
4线模式下,激励电流必须设置为250 µA,3线模式下设置为100 µA。 对于4线模式,假设RTD值为3.92 kΩ。 来自AIN0的激励电流流经RREF + RRTD + RRETURN = 3.92 kΩ + 3.92 kΩ + 3 kΩ = 10.84 kΩ。 因此,AIN0处的电压等于250 µA × 10.84 kΩ = 2.71 V。AD7124-4指定激励电流输出端的输出顺从电压为AVDD − 0.35 V,即3.3 V – 0.35 V = 2.95 V。 因为2.95 V > 2.71 V,所以即使对于最大RTD电阻,250 µA激励电流也能正常工作。 
 
有关4线RTD配置的更多信息,参见电路笔记CN-0381。 
 
在3线模式下,来自AIN4的引脚补偿激励电流也会流经3 kΩ返回电阻,在AIN0处产生一个附加电压:250 μA × 3 kΩ = 0.75 V。因此,AIN0处的总电压等于2.71 V + 0.75 V = 3.46 V,这违反了裕量要求。 所以,在3线模式下,各激励电流必须降至100 μA以提供足够的裕量。 
 
PGA增益可用来提高测量分辨率。 对于Pt100 RTD,建议使用8倍增益(因为Pt100值比Pt1000值小10倍)。 
 
为实现所需精度,RTD本身必须由主机控制器通过软件进行线性化,参见电路笔记CN-0383。 
 
热电偶测量 
 
如图3所示,热电偶连接在AIN+和AIN−端子之间。 AIN4引脚为热电偶提供3.3 V ÷ 2 = 1.65 V的偏置电压。 热电偶电压在AIN1和AIN3之间测量,因为热电偶信号非常小,通常推荐使用32倍或64倍的PGA增益。 


 
冷结补偿使用10 kΩ NTC热敏电阻。 基准电压激励VREF从REFOUT获得,并且串联一个精密低漂移5.62 kΩ电阻接地。 NTC电阻值可以通过下式计算: 
 
其中: 
 
VNTC为AIN1和AIN3之间测得的电压。 
 
VREF为AD7124-4 REFOUT提供的基准电压。 
 
端子板与NTC温度传感器之间的温度差会直接影响热电偶输入的温度读数。 因此,NTC热敏电阻必须尽可能靠近端子板放置,使热耦合最大。 
 
为实现所需精度,热电偶和NTC必须由主机控制器通过软件进行线性化,参见电路笔记CN-0384。 
 
诊断 
 
提供多种系统级诊断功能,包括:
 
    基准电压检测 
    输入过压/欠压检测 
    SPI通信的CRC 
    存储器映射的CRC 
    SPI读/写检查 
 
    这些诊断功能对输入通道中可能发生的故障实现了高水平覆盖。 
 
隔离 
 
ADuM1441采用5 mm × 6.2 mm、16引脚小型QSOP封装(30 mm2)。数据通道利用四通道微功耗隔离器ADuM1441隔离,能效很高。 
 
ADuM5010是一款完整的隔离开发转换器,利用isoPower技术为电路提供电源隔离。 The ADuM5010 is in a small 7.4 mm × 7.5 mm, 20-lead SSOP package (56.25 mm2).ADuM5010采用7.4 mm × 7.5 mm、20引脚小型SSOP封装(56.25 mm2)。
 
图4所示为ADuM5010电路详情。 电源副边使用铁氧体磁珠来抑制潜在的电磁干扰(EMI)辐射。 铁氧体磁珠(Murata BLM18HK102SN1)专门针对100 MHz至1 GHz的高阻抗而选择。 还使用了10 μF和0.1 μF去耦电容。 铁氧体磁珠和电容均通过短走线连接到ADuM5010引脚,以使寄生电感和电阻最小。 


 
图4. 带铁氧体磁珠和去耦电容的isoPower电路 
 
拼接电容已维持最小面积,因为铁氧体磁珠已大幅降低辐射。ADuM5010电源、GND引脚和铁氧体磁珠之间的PCB区域应消除任何接地层或走线,以尽量减少高频噪声容性耦合到接地层。有关控制isoPower器件辐射的更多信息,参见AN-0971应用笔记。 
 
根据ADuM5010数据手册选择R1和R2反馈电阻以选用3.3 V输出。 
 
每通道功耗 
 
ADuM5010由控制器侧电源供电,典型功耗为3.3 mA。ADuM5010满载时的效率仅为27%,因此,尽量减少现场侧的电流消耗会对通道的能效产生重大影响。
 
AD7124-4功耗约为994 μA(全功率模式、增益 = 32、TC偏置、诊断和内部基准电压源使能)。利用中功率或低功耗模式可以显著降低AD7124-4的功耗。 
 
对于ADuM1441,空闲时现场侧总功耗约为7.2 μA,以2 Mbps工作时为552 μA。 如果接口在1/8的时间里有效,则ADuM1441的总功耗为(552 μA × 0.125) + (7.2 μA ×0.875) = 75.3 μA。 
 
当以全功率模式工作、增益为32、内部基准电压源和TC偏置使能时,一个输入通道的实测功耗为7.9 mA(来自控制器侧3.3 V电源)。 
 
电源电路 
 
评估板由4.5 V至36 V直流电源供电,利用板上开关稳压器向系统提供3.3 V电源,如图5所示。EVAL- SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)板为数字接口提供经调节的3.3 V电压。  
 
ADP2441包括可编程软启动、调节输出电压、开关频率和电源良好指示等特性。这些特性通过外部小型电阻和电容编程。 
 
ADP2441还包括多种保护特性,如带迟滞的欠压闭锁(UVLO)、输出短路保护和热关断等。
 
300 kHz开关频率可使ADP2441的效率最高。 由于ADP2441的开关频率非常高,建议使用低磁芯损耗、低EMI的屏蔽铁氧体磁芯电感。 
 
在图5所示电路中,开关频率通过294 kΩ外部电阻设置为约300 kHz。 22 μH电感值(Coilcraft LPS6235-223MLC)是利用可下载的ADP2441降压调节器设计工具选择的。 此工具可根据所需的工作条件(4.5 V至36 V输入、3.3 V输出、1 A输出电流)选择最佳的元件值。 选择1 A电流是为了给主机控制器侧的其它电路供电(若需要)。 

 
图5. 电源电路(原理示意图,未显示所有连接) 
 
测试结果 
 
关于热电偶、3线和4线RTD电路的详细性能分析,参见电路笔记CN-0381、电路笔记CN-0383和电路笔记CN-0384,其中给出了深入分析和测量结果。 
 
图6给出了EVAL-CN0376-SDPZ的直方图,采用25 SPS后置滤波器,AIN+短接AIN−,增益为32,TC偏置使能。 数据对应于17.85位无噪声分辨率。 


 
图6. AIN+和AIN-输入短接时的代码直方图(选择25 SPS后置滤波器、增益 = 32、TC偏置使能) 
 
常见变化 
 
如果需要更多通道,可以使用AD7124-8。AD7124-8有8个差分输入或16个单端输入。AD7792也可作为低成本选项加以考虑,不过其特性较少,性能较低。  
 
ADuM3151等SPIsolatorTM可作为数据隔离选项,其最高支持17 MHz SPI传输,并且内置三个通用低速隔离通道。
 
图1所示电路使用NTC热敏电阻进行冷结补偿。 另一个选项是使用ADT7320数字温度传感器,其精度为0.25°C。 (参见电路笔记CN-0172)。 
 
电路评估与测试 
 
图1所示电路采用EVAL-CN0376-SDPZ评估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板。 
 
EVAL-CN0376-SDPZ评估板具有PMOD兼容接头,支持与外部控制板集成。
 
CN-0376评估软件与SDP板通信,以便配置EVAL-CN0376-SDPZ评估板并从其中捕捉数据。
 
设备要求 
 
需要以下设备: 
 
带USB端口的Windows® Vista(32位)或Windows 7(32位)PC 
EVAL-CN0376-SDPZ电路评估板
EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板
CN-0376评估软件
精密电压和电阻源,或热电偶、RTD仿真器 
电源: 4.5 V至36 V dc(100 mA) 
 
开始使用 
 
从ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0376/下载CN-0376评估软件,然后安装。 按照屏幕提示安装并使用该软件。 更多信息参见CN-0376软件用户指南。 
 
测试设置功能框图 
 
图7所示为测试设置的功能框图。 


 
图7. 测试设置功能框图 
 
设置 
 
EVAL-CN0376-SDPZ评估板通过120引脚对接连接器连接EVAL-SDP-CB1Z SDP板,两个板上均有这种连接器。 
CN-0376评估软件和SDP板支持用PC分析数据。
 
对P3连接器施加一个4.5 V到36 V(标称值24 V)范围内的电压。 务必将P8跳线设为EXT(默认),以便通过P3电源为电路板供电。 
 
外部控制器也可用来与评估板通信(通过PMOD接头进行SPI通信),以及为评估板供电。 若需要,可将P8跳线设为VCC_PMOD,以便通过PMOD连接器为评估板提供3.3 V电源。 
 
精密电压和电阻源可用作模拟前端的输入,从而评估系统性能。 也可使用热电偶或RTD仿真器。 


 
图8显示了EVAL-CN0376-SDPZ电路评估板的实物照片。 
 

关键字:PLC

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/article_10388.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
PLC

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved