AN-1312: ADE7912/ADE7913 を使った 4 mA~20 mA の DC 信号の測定 (Rev. 0) PDF

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AN-1312
アプリケーション・ノート
ADE7912/ADE7913 を使った 4 mA~20 mA の DC 信号の測定
著者:Zhen Zhu
はじめに
工業用プロセス制御の分野では、 RS-485 インターフェ
ースなどにデジタル信号やデジタル通信が幅広く使用
されています。しかし、多くの工業用プロセス制御ア
プリケーションでは、アナログ信号やアナログ・モニ
タリングのために 4 mA ~20 mA のアナログ電流ループ
が今でも使用されています。 その理由は、4 mA~20
mA のアナログ電流ループが非常に堅牢なセンサー信号
伝達の標準的方式の 1 つだからです。
電流ループは本質的に電気的ノイズに強いため、デー
タ伝送に最適です。4 mA~20 mA のアナログ電流ルー
プでは、すべての信号電流がすべての部品を通り、ワ
イヤの終端が完全でなくても同じ電流が流れます。信
号電流がループ内のすべての部品を通るため、これらの
部品で電圧降下が生じます。20 mA の最大信号電流でル
ープにおける電圧降下の合計より電源電圧の方が高けれ
ば、信号電流がこれらの電圧降下の影響を受けることは
ありません(図 1 参照)
。
他の通信方式と比べて、4 mA ~20 mA の出力は以下の
ような独自の利点を備えています。
•
•
•
電流信号は干渉に対する耐性が優れています。
電流信号は比較的長い距離を伝送可能です。
4 mA ~20 mA 出力なので、短絡や開回路を容易に
検出することができます。
最小電流が 4 mA であるため、多くのトランスデュ
ーサが 2 本のラインから直接電力を得ることが可
能で、配線接続を簡素化できます。
異なるトランスデューサのゼロ・ポイントとフル
スケールが類似した信号なので、変換の相関を一
元的に数値化するのが容易です。
•
•
このため、多くのプロセス制御装置には、4 mA~20
mA アナログ DC 入力測定モジュールが内蔵されていま
す。
RWIRE
+
–
TRANSMITTER
4mA TO 20mA
24 V DC
SUPPLY
RWIRE
RRECEIVER
+
–
12455-001
このアプリケーション・ノートでは、ADE7912/
ADE7913 を使った 4 mA ~20 mA のアナログ電流ルー
プの測定方法について説明します。
図 1. 電流ループの回路図
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Rev. 0
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AN-1312
アプリケーション・ノート
目次
はじめに ....................................................................... 1
校正および測定の手順 ................................................. 4
改訂履歴 ....................................................................... 2
測定手順: 4 mA~20 mA............................................... 4
ハードウェア設計 ......................................................... 3
結論 .............................................................................. 5
改訂履歴
7/14—Revision 0: 初版
Rev. 0
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AN-1312
アプリケーション・ノート
ハードウェア設計
このセクションでは、ADE7912/ADE7913 を使った 4
mA ~20 mA 電流ループ検出のハードウェア設計につい
て説明します。
ADC、絶縁型電源、高速デジタル・アイソレータの 3
つの主要な構成要素が必要です。
このような従来のプラットフォームに対し、ADE7912/
ADE7913 絶縁型 ADC は従来のソリューションの主な
構成要素をすべて内蔵しています。 図 3 に示すよう
に、ADE7912/ ADE7913 は絶縁型電源と信号絶縁回路
を内蔵しています。
4 mA ~20 mA のアナログ電流信号を測定するには、
ADC と絶縁型電源モジュールが必要です。SPI 通信イン
ターフェースを使用した従来のソリューションのブロッ
ク図 を図 2 に示します。
ADE7912/ADE7913 の動作温度範囲は −40°C~+85°C
で、工業用プロセス制御の温度要件を満たしていま
す。4 mA ~20 mA のアナログ電流信号のダイナミック
レンジは 5:1 です。AN-1304 アプリケーション・ノート
「ADE7912/ADE7913 の DC 測定性能」では、ダイナミ
ックレンジが 10:1 の場合、DC 測定の標準温度係数は
62 ppm/°C となっています。したがって、62 ppm/°C
は、4 mA ~20 mA アナログ DC 信号測定の標準温度係
数とみなされます。
サンプリング抵抗を使用して 4 mA~20 mA の信号を電
圧信号に変換した後、A/D コンバータ(ADC) が電圧信
号をデジタル信号に変換します。工業用機器ではほと
んどのインターフェース回路が絶縁を必要とするの
で、ADC だけに電力を供給する専用の絶縁型 DC/DC
電源が必要です。ADC のグラウンドはマイクロ・コン
トローラのグラウンドから絶縁されているので、高速
デジタル・アイソレータが通信経路に配置されます。
例として、SPI 通信用の 4 つの絶縁されたチャンネルを
図 2 に示します。従って、この測定システムには
POWER
SUPPLY
ISOLATED DC/DC
MISO
MOSI
ADC
RRECEIVER
SCLK
4-CHANNEL
DIGITAL ISOLATOR
MCU
12455-002
CS
図 2.従来の 4 mA~20 mA DC 入力測定回路のブロック図
ISOLATION
BARRIER
1
VDDISO
2
GNDISO
LDO 8
19
VDD
20
GND
POWER
ISOLATION
LDO
TEMP
SENSOR
3
ADC
5
VM
4
V1P
6
IM
7
IP
REF
GNDISO
9
DATA
ADC
ADC
DATA
CLOCK ISOLATION
DATA
DIGITAL
BLOCK
AND
CLOCK SPI PORT
CS
SCLK
MOSI
MISO
XTAL2
XTAL1
12 CLKOUT/
DREADY
11
GND
VREF
10
図 3. ADE7912 のブロック図
Rev. 0
18
17
16
15
14
13
- 3/5 -
12455-003
V2P
AN-1312
アプリケーション・ノート
図 4 に示すように、ADE7912/ADE7913,を使用すること
により、 4 mA~20 mA 電流ループ検出回路を簡略化で
きます。この測定では V1 チャンネルを使用すること
が推奨されているため、アナログ信号は V1P 入力に供
給されます。
2.
一般的な 4 mA~20 mA のアナログ信号を測定するとき
は、1 秒間にわたる 100 回の読み出し値の平均を計算し
て C 値を求め、以下の式を用いて電流値 x を計算しま
す。
従来の 4 mA~20 mA DC 入力測定ソリューションで必
要とされる 3 つの回路ブロックが 1 個のチップに簡略
化され、他の補助回路が不要であることに注目してく
ださい。
x=
さらに、最大 4 個の ADE7912/ADE7913 をカスケード
接続可能で、これらのデバイスは 1 個の水晶発振器と
1 本の SPI バスを共有します。通常、1 つのアプリケー
ションにおいて複数の 4 mA~20 mA 電流ループを検出
する必要があるため、これは便利な機能です。
16 × C + 4 × B − 20 × C
B− A
測定手順: 4 mA~20 mA
4 mA ~20 mA 電流ループ・アプリケーションにおける
ADE7912/ADE7913 の性能を評価するために、評価プラ
ットフォームを利用しました(図 5 参照)。AD5421 は工
業用制御業界でスマート・トランスミッタ・メーカーの
ニーズを満たすように設計されたループ給電による完全
な 4 mA ~ 20 mA の D/A コンバータ (DAC) です。
校正および測定の手順
4 mA~20 mA の DC 信号を測定するには、V1WV レジ
スタの値を 1 秒間に少なくとも 100 回読み出します。
これらの読み出し値の平均が測定値になります。
AD5421 は 16 ビットの単調性が保証されています。標準
的な条件で積分非直線性が 0.0015%、オフセット誤差
が 0.0012%、ゲイン誤差が 0.0006%です。 下記のテス
トでは、4 mA ~20 mA 出力源として AD5421 評価キッ
トを使用し、ADE7913 評価キットは測定装置を設定し
ます。
4 mA~20 mA の DC 信号を測定するための準備とし
て、ADE7912/ADE7913 を次の 2 段階で校正する必要が
あります。
1.
校正された 20 mA の信号を供給します。V1WV レ
ジスタの値を 1 秒間に少なくとも 100 回読み出し
ます。読み出し値の平均が B 値になります。
校正された 4 mA 信号を供給します。V1WV レジス
タの値を 1 秒間に少なくとも 100 回読み出しま
す。読み出し値の平均が A 値になります。
ADE7912
VDDISO
GNDISO
VDD
POWER
SUPPLY
GND
POWER
ISOLATION
LDO
TEMP
SENSOR
ADC
DATA
RRECEIVER
DIGITAL
BLOCK
AND
CLOCK SPI PORT
ADC
VM
ADC
MISO
DATA
DATA
CLOCK ISOLATION
MOSI
MCU
SCLK
CS
VREF
12455-004
V1P
図 4. ADE7912/ADE7913 を使用した 4 mA~20 mA DC 入力測定回路のブロック図
LOOP+
AD5421
EVAL BOARD
RRECEIVER
ADE7913
EVAL BOARD
AGND_ADC1
12455-005
LOOP–
V1PINA
図 5. 4 mA~20 mA 測定のブロック図
Rev. 0
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アプリケーション・ノート
AN-1312
種々の DC 入力から得られた ADE7913 出力を 図 6 に示し
ます。ADC 出力の直線性を測定するには、非直線性誤差を
計算します (図 7 参照)。目標はこれらの誤差を非常に小さ
く抑えることなので、校正手順は大幅に簡略化されます。
4 mA での測定値と 20 mA での測定値の間を線でたどりま
した。誤差は ADC 出力に関して計算しました。
0.02
0.01
0
–0.01
–0.02
–0.04
0
3000000
5
10
15
20
INPUT CURRENT (mA)
25
12455-007
–0.03
図 7.
ADE7912/ADE79131 の非直線性誤差
2000000
結論
1000000
0
0
5
10
15
20
INPUT CURRENT (mA)
図 6.種々の DC 入力での ADE7913 の測定値
Rev. 0
25
12455-006
ADE7913 V1 CHANNE L OUTPUT (BITS)
4000000
ADE7912/ADE7913 は 4 mA ~20 mA の全範囲にわたって非
直線性誤差を 0.04% 未満に維持します (図 7 参照)。.
DC MEASUREMENT ERROR (%)
電流値を検出するために外付け抵抗 RRECEIVER = 15.1 Ω を使
用し、その出力を ADE7913 の V1 チャンネルに接続しまし
た。テスト手順は、AD5421 評価ボードによる制御された
電流値の生成と、ADE7913 を使ったサンプリングで構成さ
れています。
ADE7912/ADE7913 は 4 mA~20 mA のアナログ電流ループ
の測定を行う完全に絶縁された ADC です。この ADC は絶
縁型 DC/DC コンバータとデジタル・アイソレータを 1 個
のチップに集積しているので、回路設計が大幅に簡素化さ
れ、システムの信頼性が向上します。5:1 のダイナミック
レンジの場合、室温での非直性誤差が 0.04%未満なので、
校正手順が簡略化されます。
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