AD SD2421

SD2421
环路供电型
4 mA-20 mA DAC
特点
4mA 至 20mA 电流输出
z HART®兼容型
z 16 位分辨率和单调性
z ±0.01%积分非线性
z 3V/3.3V/5V 稳压器输出
z 2.5V 和 1.25V 精密基准电压源输出
z 静态电流 520uA(最大值)
z 可编程报警电流能力
z 灵活的抗扰串行接口
z 过流保护以及短路保护
z 16 引脚 SOIC 和 PDIP 封装
z
描述
SD2421 是 一 款 完 整 环 路 供 电 型
4mA-20mA 数模转换器,专为满足工业控制领
域智能发射器制造商的需求而设计,
其高集成、
高精度、低成本解决方案,实现高分辨率
4mA-20mA 的智能发射器。
SD2421 内置输出电压可选的稳压器,用
于自身及发射器系统中的其他器件供电,可提
供+3V、+3.3V 或+5V 调节输出电压。同时内
置提供+2.5V 和+1.25V 精准基准电压源输出。
所以,SD2421 不需要外部独立的稳压器和基
准电压源,只需若干外部元件和一个调整管即
可,其中调整管主要用于扩展环路电压范围。
SD2421 可以结合标准的 HART FSK 协议
通信电路使用,其额定性能不受影响,高速串
行接口能够以 10Mbps 速率工作,并允许通过
一个标准三线式串行接口与常用的微处理器和
微控制器简单相连。
这款 DAC 采用Σ-Δ架构,可以保证 16
位单调性,且积分非线性为±0.01%。该器件
提 供 4mA 零 电 平 输 出 电 流 ( 失 调 误 差 为 ±
0.02%),以及 20mA 满量程输出电流(增益误差
为±0.1%)。
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SD2421 提供两种封装:16 引脚、0.3 英寸
宽、塑料 DIP 封装和 16 引脚、0.3 英寸宽、SOIC
封装。该器件的额定温度范围为-40℃至+85℃
工业温度范围。
产品聚焦
1. SD2421 是一种高性能、低成本的单芯片解
决方案,可产生 4mA 至 20mA 信号,非常
适合工业控制领域智能发射器应用。
2. SD2421 的稳压电源可用于给发射器中的
任何其他电路供电。调节输出值可通过引
脚进行选择,可为 3V/3.3V/5V。
3. SD2421 的片内基准电压源可以给系统中
的其它器件提供精密的 2.5V 和 1.25V 基
准。
4. SD2421 完全兼容标准 HART 电路或其他
类似的 FSK 协议。
5. 通过添加单个分立晶体管,SD2421 可以在
最低 VCC+2V 至该调整管的击穿电压范围
内工作。
6. SD2421 可将数字数据转换成为电流,并可
以保证 16 位分辨率和单调性。满量程±
0.1%建立时间不超过 8ms。
7. SD2421 具有可编程报警电流功能,允许发
射器通过发送超量程电流来指示传感器故
障。
8. SD2421 具有过流及短路保护功能,确保器
件本身及外围分立调整管不被烧毁。
SD2421
应用领域
订购信息
工业过程控制、4mA 至 20mA 环路供电发
射器、智能发射器、HART 网络连接等
封装形式
订货名称
SOP16
SD2421A
DIP16
SD2421B
管脚图和管脚描述
VREF1
1
16
VCC
VREF2
2
15
BOOST
VREF IN
3
14
COMP
13
DRIVE
12
C1
LV
4
SDIC
LATCH
5
SD2421
CLOCK
6
11
C2
DATA
7
10
C3
LOOP RTN
8
9
COM
图 1.DIP 和 SOIC 管脚图
表 1. 管脚描述
序号
管脚名称
属性
管脚描述
1
VREF1
模拟输出
0.5mA 的负载能力,若要求 VREF1 提供灌电流,则应在 COM 上添加 100kΩ阻性负载。
片内 1.25V 电压基准输出端,用作发射器中其他器件的精密基准电压源,可向外部提供
(请参考“基准电压源”部分)
片内 2.5V 电压基准输出端,SD2421 采用自身基准电压源工作时,VREF2 应接 VREF IN。
2
VREF2
模拟输出
3
VREF IN
模拟输入
4
LV
模拟输入/输出
该引脚可用作发射器中其他器件的精密基准电压源,可向外部提供 0.5mA 的负载能力。
电压基准输入端,SD2421 的基准电压接至此引脚,用于设置 SD2421 的量程,为了 4mA
至 20mA 正常工作,基准电压需用 2.5V,此电压可用外部基准或器件本身 VREF2。
稳压器输出(VCC)控制端,LV 接 COM,VCC=5V;LV 通过 0.01uF 电容接 VCC,VCC=3.3V;
LV 接 VCC,则 VCC=3V。
DAC 锁存控制逻辑输入端,LATCH 信号上升沿将串行输入移位寄存器中的数据载入到
5
LATCH
DAC 锁存器,更新 DAC 输出。锁存脉冲之间的时钟周期数决定 DAC 的电流工作模式。
数字输入
(请参考“数字接口”部分)
数据时钟输入,DATA 输入端上的数据在此 CLOCK 输入的上升沿逐个输入移位寄存器,
6
CLOCK
数字输入
7
DATA
数字输入
8
LOOP RTN
模拟输入/输出
9
COM
地
10
C3
模拟输入/输出
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时钟的周期即为输入串行数据比特率,最高可达 10MHz。
数字数据输入,SD2421 输入移位寄存器的数据从此端口加入,数据在 CLOCK 输入信号
的上升沿必须有效。
电流环路回流输出端,是电流环路中电流的回流路径。
芯片公共地,是 SD2421 模拟和数字输入输出以及稳压器输出的参考电位。
内部开关电流源的模拟滤波器滤波外接电容端。此引脚和 COM 之间应接一个低电介质
吸收性能的电容(陶瓷电容)。
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SD2421
11
C2
模拟输入/输出
内部开关电流源的模拟滤波器滤波外接电容端(请参考 C3 的描述)。
12
C1
模拟输入/输出
内部开关电流源的模拟滤波器滤波外接电容端(请参考 C3 的描述)。
13
DRIVE
模拟输出
14
COMP
模拟输入/输出
15
BOOST
模拟输入
内部稳压器驱动输出端,此信号负责驱动外部调整管,建立相应的 VCC 电压。
补偿电容输入端,为确保内部稳压器运放与外部调整管构成的反馈环路稳定,需在 COMP
和 DRIVE 之间连接一个补偿电容。
内部功率管的电流输入端,流经此端的电流为环路 4mA-20mA 电流的主要组成部分。
芯片供电电源输入端,同时还可以提供由外部调整管驱动的稳压器输出,既可以实现
16
VCC
电源
SD2421 自身偏置,也可以为智能发射器系统的其他部分电路供电,工作时 VCC 应通过
一个 2.2uF 电容接至 COM。VCC 输出电压大小由 LV 端口决定(请参考 LV 引脚的描述)。
功能描述
VREF IN
VREF2
VREF1
2.5V
SD2421
VCC
LV
1.25V
稳压器
带隙基准
电压源
DRIVE
1.21V
过流保护
短路保护
振荡器
DATA
CLOCK
LATCH
输入移位
寄存器
上电
复位
基准电流
DAC
锁存器
16位
Σ-Δ DAC
开关电流调制器
COMP
电流放大器
RC
滤波器
BOOST
40KΩ
COM
80KΩ
C1 C2
40Ω
LOOPRTN
C3
图 2. 功能框图
图 2 是 SD2421 的功能模块框图。SD2421
是一款集成器件,设计用于环路供电型 4-20mA
智能发射器应用。作为一种远程仪器,智能发
射器在其获得电源的相同线对上控制电流输
出信号,而 SD2421 单芯片负责提供智能发射
器中的如下几个主要功能:负责将微处理器/
微控制器的数字数据转换成模拟格式的 DAC
功能、负责设定环路电流的电流放大器功能、
负责提供稳定的工作电压功能。另外还提供两
个精确的基准电压源、内置一个时钟振荡器以
及高速串行接口。下面详细说明 SD2421 的特
性。
给 SD2421 自身及发射器系统上其它电路供
电,图 3 显示了 SD2421 的稳压器部分及
VCC=3.3V 时的相关外部电路连接。
LOOP+
DN2540
2.2uF
0.01uF
LV
VCC
75K
115K
SD2421
稳压器
134K
DRIVE
121K
1.21V
COMP
稳压器
1kΩ
1nF
稳压器由一个运放、一个带隙基准电压源
和一个外部耗尽型 FET 调整管组成。此稳压器
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10nF
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图 3. 稳压器输出 3.3V 设置电路图
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SD2421
LV引脚上的信号通过更改运算放大器反
相输入端和VCC引脚之间电阻分压器的增益,
来选择VCC要稳定的目标电压值。随着LV引脚
在COM和VCC之间变化,稳压器环路的电压输出
标称值会在 3 V和 5 V之间变化。LV连接到COM
时,调节电压为 5V;LV通过一个 0.01uF电容
连接到VCC时,调节电压为 3.3V,而如果LV连
接到VCC,则调节电压为 3 V。图 3 所示配置可
以使用的环路电压范围是由FET击穿电压和饱
和电压确定的。必须选择合适的VGS(off)、IDSS及
跨导等外部FET参数,以便DRIVE引脚上的运算
放大器输出在VCC至COM的范围上摆动时可以
正确控制FET的工作点。选择FET调整管时应注
意的主要特性如下:
表 1. FET 特性
FET 类型
N 沟道耗尽型
饱和电流IDSS
24mA (最小值)
漏源击穿电压BVDS
VLOOP-VCC (最小值)
截止电压VGS(off)
-VCC (最大值)
最小额定功率
24mA
×
( VLOOP-VCC)
其中VCC是SD2421 的工作电压,VLOOP是环路
电压。Supertex公司的DN25D/DN254、Siliconix
公 司 的 ND2020L/ND2410L 、 Siemens 公 司 的
BSS129/BSP129 等FET均满足表 1。
稳压器需要若干外部电阻电容元件为稳
压器稳定的输出做补偿,在 COMP 和 DRIVE 引
脚之间连接一个 10nF 的补偿电容,并在 DRIVE
和 COM 之间连接由一个 1 kΩ电阻和一个 1nF
电容串联构成的外部电路,从而稳定由稳压器
运算放大器和外部调整管构成的反馈环路。另
外,连接在 VCC 引脚与 COM 引脚之间的电容用
于稳定稳压器环路。
DAC
SD2421内置一个16位Σ-Δ型DAC, 可将
载入输入锁存器的数字信息转换成电流。DAC
由一个二阶调制器和一个连续时间滤波器组
成。来自调制器的单比特码流控制一个开关电
流源,开关电流源的调制输出通过三个电容和
两个电阻组成的模拟滤波器进行滤波处理,其
中,滤波电阻均集成在芯片内,只需在外部
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C1-C3引脚上加上对地滤波电容即可。滤波电
容需使用具有低电介质吸收性能的电容(NPO),
典 型 运 用 的 电 容 值 分 别 为 C1=C2=10nF 、
C3=3.3nF。
电流放大器
电流放大器为DAC输出电流提供进一步放
大与驱动,由一个运算放大器和NPN晶体管组
成,用以设定从LOOP RTN引脚流出的电流。图
4显示了SD2421的电流放大器部分。DAC输出和
环路回流之间连接的80kΩ电阻用作采样电阻
决定电流大小。通过放大器和NPN晶体管组成
的反馈电路,使得流经40Ω电阻的电流为开关
电流源大小的2000倍,最终总环路电流为开关
电流源大小的2001倍。BOOST引脚通常连接到
VCC引脚,随着DAC输入代码在零电平至满量程
范围内变化,总环路电流会在4 mA至20 mA范
围内变化。当BOOST和VCC互连时,外部FET必
须能够提供4 mA至20 mA整范围内的环路电流。
SD2421
IDAC
电流放大器
BOOST
40KΩ
COM
80KΩ
40Ω
LOOP RTN
图4. 电流放大器电路图
数字接口
SD2421 的 数 字 接 口 由 这 三 条 线 组 成 :
DATA、CLOCK和LATCH。该接口可直接连接到通
用微控制器的串行端口。数据以MSB优先方式
在CLOCK信号的上升沿载入至输入移位寄存
器,然后在LATCH信号的上升沿被送入DAC锁存
器。串行接口的时序图如图5和图6所示。载入
SD2421输入移位寄存器的数据存在以下两种
形式:正常的4mA至20mA数据或报警电流数据。
第一种形式是SD2421在其正常的4mA至20mA输
出范围内工作,保持4mA至20mA电流范围内的
分辨率为16位。而第二种形式则允许用户设定
一个此范围之外的电流值作为来自发射器的
一条指示,表示传感器存在问题。SD2421会对
自身在LATCH信号之间收到的时钟脉冲进行计
数,并利用该计数来确定输入的数据是4mA至
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SD2421
CLOCK
1
1
0
0
0
B12
1
B13
0
B14
0
B15
0
B1
B0
低位
0
B2
1
B3
1
B4
0
B5
B11
0
B6
B12
0
B7
1
第‘N+1’个电流码值
B8
0
B9
0
1
B10
0
B13
DATA
高位
B15
B14
第‘N’个电流码值
LATCH
图5. 串行接口波形(16位数据输入)
tCK
tCL
CLOCK
tCH
tDS
tDH
DATA
tDW
tLD
tLL
LATCH
tLH
图6. 串行接口时序图
20mA数据,还是报警电流数据。如果连续的
LATCH脉冲之间存在16个上升时钟沿,那么载
入至输入移位寄存器的数据设定为4mA至20mA
数据。在LATCH信号的上升沿,输入移位寄存
器数据以16位并行传输形式被送入DAC锁存
器。这种情况下,DAC锁存器中的16位数据会
设置4mA(全0)和20mA(全1)之间的 输出电流
(参见表2)。连续的LATCH脉冲之间存在16个以
上的时钟脉冲,那么载入至输入移位寄存器的
数据设定为报警电流数据。这种情况下,
SD2421的移位寄存器接受17位数据。对于串行
写操作中存在17个以上时钟的情况(例如,在
来自微控制器串行端口的一个3 × 8位传输中
存在24个时钟),SD2421仅接受串行写操作的
最后17位。此串行写操作中传输的数据是LSB
靠后(例如,MSB是在LATCH脉冲之前的第17个
上升时钟沿载入的)。在LATCH信号的上升沿,
输入移位寄存器数据以17位并行传输形式被
送入DAC锁存器。这种情况下,DAC锁存器中的
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17位数据会设置0mA(全0)和32mA(全1)之间的
输出电流(参见表3)。不过,实际操作中,
SD2421无法可靠地产生低于3.5 mA或超过24
mA的电流。
基准电压源
SD2421内置一个1.21V片内带隙基准电压
源,该电压源用作稳压器环路的一部分。带隙
基准电压源还可用于产生两个基准电压,以供
在SD2421之外使用,图2显示了SD2421的基准
电压源部分。VREF1引脚提供+1.25V缓冲基准
电压,可提供最低0.5mA的外部电流。VREF2引
脚提供+2.5V基准电压,同样可提供0.5mA的外
部电流。要让SD2421采用自身的基准电压源来
工作,只需将器件的VREF2引脚连接到VREF IN
引脚。另外,该器件还可以结合外部基准电压
源使用,方法是将外部基准电压源连接在VREF
IN 和 COM 之 间 。 在 应 用 电 路 中 使 用 VREF1 和
VREF2时,需在基准电压引脚上连接4.7uF的外
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SD2421
使用 SD2421
SD2421可以设置为正常的4 mA至20 mA工
作模式或报警电流工作模式。在正常工作模式
下,编码为16位直接(自然)二进制码,且输出
电流范围为4mA至20mA。在报警电流工作模式
下,编码也为直接二进制码,不过在两倍范围
(0mA至32mA)分辨率为17位。为了判断写入的
数据是正常的4mA至20mA数据还是报警电流数
据,器件会对两个连续LATCH脉冲之间的时钟
脉冲进行计数。如果脉冲数为0–16,选择的
是正常模式;如果为17–31,则选择的是报警
电流模式。
4mA 至 20mA 编码
表2列出正常工作模式下SD2421输入代码
与输出电流之间的理想关系,其中VREF IN为
+2.5V,1LSB = 16mA/65536 = 244nA 。 图 7 为
SD2421工作在4mA至20mA正常工作模式下的时
序图,连续锁存信号之间存在16个时钟脉冲,
其中SD2421的输出电流为12.547607mA。
CLOCK
DATA
第‘N+1’个电流码值
1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1
1 0 0 0
B15
B14
B13
B12
第‘N’个电流码值
高位
B15
B14
B13
B12
B11
B10
B9
B8
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
低位
部电容到COM,以提供补偿并确保基准电压源
工作稳定。如果无需内部基准电压源,则可以
省去这些电容(但为了避免VREF2、VREF1输出
不稳定而对智能发射器系统其他电路模块产
生干扰,推荐接上此4.7uF电容)。
芯片内部对VREF2存在实时监测,如果外
部电路从此基准电压源抽取的电流超过0.5
mA,芯片会进入上电复位状态。在这种状态下,
DAC禁用、内部振荡器停止且输入数据锁存清
零。VREF1的吸电流能力有限。如果要求VREF1
提供吸电流,则在VREF1端接4.7uF电容之外还
应对COM接一个100kΩ阻性负载。
LATCH
图7. 正常工作模式下的电流值写入时序图
报警电流编码
表3列出报警电流工作模式下SD2421输入
代码与输出电流之间的理想关系。其中VREF IN
为+2.5V,等效范围为0mA至32mA,1LSB = 32
mA/131072 = 244nA,不过可靠工作范围为3.5
mA至24mA。在表3给定范围之外的代码值,该
器件可能会给出不确定的输出,建议用户在报
警电流模式下,给SD2421设置的电流值代码应
限制在表3所示的范围内。图8显示的是通过8
位微控制器使用三个8位写操作向SD2421载入
3.75 mA报警电流时的时序图。
表3. 报警电流工作模式下(3.5mA至24mA)的
理想输入/输出代码对应表
代码
输出电流
0 0011 1000 0000 0000
3.5mA
0 0100 0000 0000 0000
4mA
0 1000 0000 0000 0000
8mA
1 0000 0000 0000 0000
16mA
1 0100 0000 0000 0000
20mA
1 1000 0000 0000 0000
24mA
CLOCK
第‘N’个电流码值
代码
输出电流
0000 0000 0000 0000
4mA
0000 0000 0000 0001
4.000244mA
0100 0000 0000 0000
8mA
1100 0000 0000 0000
16mA
1111 1111 1111 1101
19.999268mA
1111 1111 1111 1111
19.999756mA
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2014/04
X X XX X X X 0
1 1 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
低位
DATA
X
X
X
X
X
X
X
高位
B16
B15
B14
B13
B12
B11
B10
B9
B8
表2. 正常工作模式下(4mA至20mA)的
理想输入/输出代码对应表
LATCH
图8. 报警模式下的电流值写入时序图
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SD2421
微处理器接口
SD2421 – MC68HC11(SPI总线)接口
图9显示的是SD2421和Motorola MC68HC11
SPI(串行外设接口)总线之间的典型接口。
68HC11 的 SCK 、 MOSI 和 SS 引 脚 分 别 连 接 到
SD2421的CLOCK、DATA IN和LATCH引脚(图示省
略了器件其它引脚,下同)。
SCK
CLOCK
68HC11 MOSI
DATA
SS
SD2421
LATCH
上升沿有效。发送MSBY之后,从存储器载入最
低有效字节(LSBY),并以类似方式进行发送。
当完整的16位字载入SD2421时,LATCH引脚变
为高电平,从而完成传输。
SD2421 – MICROWIRE接口
SD2421灵活的串行接口与美国国家半导
体公司的MICROWIRE接口兼容。MICROWIRE接口
用于COP400和COP800系列处理器的微控制器
中。使用MICROWIRE接口的通用接口如图10所
示。MICROWIRE接口的G1、SK和SO引脚分别连
接到SD2421的LATCH、CLOCK和DATAIN引脚。
图9. SD2421与68HC11接口示意图
下文所示之类的典型程序以初始化各种
SPI数据和控制寄存器开始:
INIT
NEXTPT
SENDAT
LDAA #$2F
; SS = 1; SCK = 0; MOSI = 1
STAA PORTD
;SEND TO SPI OUTPUTS
LDAA #$38
;
STAA DDRD
;SEND DATA DIRECTION INFO
LDAA
#$50
;DABL INTRPTS, SPI IS MASTER & ON
STAA
SPCR
;CPOL = 0, CPHA = 0, 1MHZ BAUDRATE
LDAA MSBY
;LOAD ACCUM W/UPPER 8 BITS
BSR
SENDAT
;JUMP TO DAC OUTPUT ROUTINE
JMP
NEXTPT
;INFINITE LOOP
LDY
#$1000
;POINT AT ON-CHIP REGISTERS
BCLR
$08,Y,$20
;DRIVE
STAA SPDR
WAIT1
SS , SCK, MOSI = OUTPUTS
SS
(LATCH) LOW
;SEND MS-BYTE TO SPI DATA REG
LDAA SPSR
;CHECK STATUS OF SPIE
BPL
WAIT1
;POLL FOR END OF X-MISSION
LDAA
LSBY
;GET LOW 8 BITS FROM MEMORY
STAA SPDR
;SEND LS-BYTE TO SPI DATA REG
LDAA SPSR
;CHECK STATUS OF SPIE
BPL
WAIT2
;POLL FOR END OF X-MISSION
BSET
$08,Y,$20
;DRIVE
SK
CLOCK
SO
DATA
G1
LATCH
SD2421
MICROWIRE
图10. SD2421与MICROWIRE接口示意图
SD2421 – 光耦隔离接口
SD2421具有多功能三线式的串行接口,非
常适用于将隔离数字系统和控制环路所需的
控制线数量减至最少。在本安型应用中,或在
对噪声要求、距离要求等方面比较讲究的应用
中,可能需要将SD2421和控制器隔离开来。这
可以通过使用光隔离器轻松实现。图11显示的
是与SD2421连接的光耦隔离接口,其中CLOCK、
DATA和LATCH均从光耦合器驱动。如果使用的
是上升时间和下降时间相对较长的光耦合器,
则可能需要在数字输入端上连接施密特触发
器,以免将错误数据提供给DAC。
VDD
VDD
VCC
VCC
0.1µF
WAIT2
VCC
CLOCK
CLOCK
VDD
SS
10kΩ
1kΩ
VCC
HIGH TO LATCH DATA
10kΩ
1kΩ
RTS
DATA
SPI数据端口配置为处理8位字节形式的
数据。从存储器读取最高位数据字节(MSBY),
然后由SENDAT程序进行处理。再通过索引至
PORTD数据寄存器将 SS 引脚驱动为低电平并将
位5清0。然后,MSBY被送入SPI数据寄存器,
接着自动被送入SD2421内部移位寄存器。
HC11产生必要的八个时钟脉冲,且数据在
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SD2421
DATA
VDD
1kΩ
VCC
10kΩ
LATCH
COM
LATCH
图11. SD2421光耦隔离接口示意图
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SD2421
应用
基本工作配置
图12显示的是SD2421在VCC=5V下工作时的基本连接示意图,电路使用最少外部元件来操作
SD2421。在该图中,SD2421的稳压器环路与DN2540调整管一起为SD2421自身和发射器中的其它器
件提供VCC电压。VCC引脚应使用一个2.2uF电容进行去耦,从而确保稳压器工作稳定并吸收SD2421
和系统中其它器件在VCC线路上的电源毛刺。SD2421具有极低的电源灵敏度,电源VCC=3V与VCC=5V
条件下的环路电流无需片外补偿。
LOOP+
DN2540
VCC:系统其它模块电源
4.7uF
2.2uF
VREF2
VREF1
VCC
LV
VLOOP
VREF IN
DRIVE
DATA
COMP
SD2421
CLOCK
10nF
1kΩ
1nF
LATCH
BOOST
COM
COM:系统其它模块电源参考地
C1
C2
10nF
C3
10nF
LOOP RTN
LOOP-
3.3nF
图12. SD2421基本连接示意图
为确保稳压器稳定的输出,需要对稳压器
运放和外部调整管构成的反馈环路进行频率
补偿:在COMP和DRIVE之间连接一个10nF电容,
在DRIVE引脚和COM之间连接一个由1kΩ电阻
和1nF电容组成的外部零极对补偿电路。
芯 片 上 的 2.5V 内 部 基 准 电 压 源 用 作
SD2421的基准电压源,并需要使用一个4.7uF
电容进行去耦,进行补偿以确保稳定性。该器
件上的Σ-Δ型DAC由一个二阶调制器和一个
连续时间滤波器组成。滤波器部分的电阻均为
片内电阻,需要在C1–C3引脚上外接滤波电
容,使用的电容应具备低电介质吸收性能
(NPO)。该器件的满量程建立时间由滤波器决
定,所以要实现8ms的满量程建立时间的话,
电容值可选择C1=C2=10nF,C3=3.3nF。
SD2421 具 有 多 功 能 三 线 式 串 行 接 口 :
DATA、CLOCK和LATCH。该接口可直接连接到通
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用微控制器的串行端口。数据在CLOCK信号的
上升沿载入至输入移位寄存器,然后在LATCH
信号的上升沿被送入DAC锁存器。
降低外部FET的功率负载
在图13所示电路中,SD2421通过添加外部
NPN晶体管来降低FET上的功率负载。FET将给
VCC供电,而外部高电压NPN双极性晶体管可以
提供BOOST所需的电流。该BOOST引脚通过外部
NPN直接从环路中吸取必要的电流,从而使流
入BOOST的电流和流入COM的电流总和等于设
定的环路电流值。外部NPN晶体管可以将FET提
供的输出电流降至450uA(假设除了系统上除
了SD2421本身外,没有其它器件共享VCC电源)
和4mA以下(在系统与SD2421共享同一VCC电源
的应用中),此运用中,在COM与LOOPRTN之间推
荐接入10nF电容,以增强系统的可靠性。
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SD2421
LOOP+
存储器
DN2540
2N3904
2.2uF
LV
VCC
SD2421
传感器
稳压器
DRIVE
1.21V
COMP
IDAC
40KΩ
BOOST
COM
40Ω
80KΩ
10nF
LOOPRTN
微
处理器
数模
转换器
4mA
至
20mA
输出
图14. 典型的智能发射器架构
10nF
1kΩ
1nF
电流放大器
模数
转换器
LOOP-
图13. 外部NPN晶体管降低FET功率负载
智能发射器
SD2421设计用于4mA至20mA智能发射器。
智能发射器集成微处理器系统,后者用于实现
线性化和通信。图14显示了一个典型智能发射
器的框图。在此示例中,发射器并不具备任何
数字通信功能。
图15显示了使用SD2421实现智能发射器
的典型应用电路。发射器使测得的传感器电压
通过AD7714或AD7715等高分辨率Σ-Δ型转换
器
进行转换。这些器件均具有片内PGA,可在模
拟前端提供1至128的增益,这使得模拟输入范
围可以低至10mV,从而允许传感器直接连接到
ADC。AD7714/AD7715配备数字校准技术,可用
于消除增益和失调误差。另外还提供了后台校
准技术;器件会持续自校准,而用户无需浪费
精力去发出周期校准命令来消除时间和温度
漂移效应。在正常工作模式下,微处理器从
AD7714/AD7715读取数据。数据经过微控制器
处理之后,从处理器的串行端口送入SD2421,
从 而 通 过 4 至 20 mA 环 路 传 回 至 控 制 中 心 。
SD2421调节环路电压,从而为发射器电路的其
余部分供电。在图14中,通过将LV引脚经由
10nF电容连接到VCC,获得的VCC电压为3.3V。
VREF2给SD2421自身提供基准电压,而VREF1则
给AD7714/AD7715提供基准电压。
LOOP+
+3.3V
2.2uF
10nF
VDD
BOOST VCC
REF IN
物理量
测量
传感器
LV
VLOOP
0.1uF
(环境)
温度
传感器
DN2540
VREF1
4.7uF
100kΩ
VDD
AD7714
/AD7715
VREF2
DRIVE
VREF IN
COMP
4.7uF
10nF
1kΩ
1nF
CLOCK
LATCH
MCU
SD2421
DATA
LOOP RTN
LOOP-
GND
MCLK IN
MCLK OUT
CS
DATA OUT
SCLK
DATA IN
COM
GND
C1
10nF
C2
C3
10nF
3.3nF
图15. 具体的智能发射器实现
HART接口
HART协议采用基于Bell 202通信标准的频
移键控(FSK)技术,该标准是用于通过电话线
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传送数字信号的其中一种标准。利用该技术,
可以将数字通信叠加到4mA至20mA电流环路,
而该环路则将中央系统连接到现场的发射器。
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SD2421
这里使用两种不同的频率1200Hz和2200Hz来
分别代表二进制中的1和0,如图16所示。这些
正弦波信号以小幅度和零平均值的形式叠加
在直流信号上,从而允许同时进行模拟和数字
通信。另外,无论线路中是否发送数字信号,
都不会有直流分量叠加到现有4mA至20mA信号
上。因此,现有的模拟仪表仍可在采用HART协
议的系统中正常运行,因为通常采用的低通滤
波器可有效消除数字信号。一个单极点10Hz低
通滤波器可将通信信号有效降低至一个相当
于满量程信号±0.01%左右的纹波。HART协议
指定主机控制系统或手持式终端等主机发送
电压信号,而从机或现场器件则发送电流信
号。电流信号通过环路负载电阻转换成相应的
电压。
ILOOP
+0.5mA
t
-0.5mA
1200Hz :“1”
2200Hz :“0”
图16. HART发送的数字信号
图17显示了一个智能发射器的架构图。在
智能发射器中,微控制器的功能是获得主测量
信号,存储发射器自身应用数据及其位置相关
信息,并管理通信系统之间的共享,从而实现
将两种形式的通信叠加到传输测量信号的相
同线路中去,采用HART协议的智能发射器就是
智能发射器的一个例子。
存储器
传感器
模数
转换器
微
处理器
数模
转换器
4mA
至
20mA
输出
通讯系统
图17. 采用HART协议的智能发射器架构
图18显示了SD2421在HART发射器应用中
的具体实现例子。发射器使用带通滤波器和调
制解调器接收环路上发送的HART数据,然后将
解调后的HART数据发送至微控制器的UART接
口或异步串行端口。要在环路上发送的HART数
据从微控制器的UART接口或异步串行端口发
送至调制解调器进行调制以及波形整形之后,
耦合至SD2421的C3引脚上,耦合电容CC的值由
波形整形器输出和SD2421的C3电容值共同决
定。包含Bell 202调制解调器、波形整形器和
带通滤波器的模块可选用SD2015来提供。
LOOP+
+3.3V
2.2uF
VDD
BOOST VCC
REF IN
物理量
测量
传感器
10nF
LV
VLOOP
0.1uF
(环境)
温度
传感器
DN2540
VREF1
4.7uF
100kΩ
VDD
AD7714
/AD7715
VREF2
DRIVE
VREF IN
COMP
4.7uF
1kΩ
1nF
SD2421
CLOCK
MCU
10nF
LATCH
DATA
LOOP RTN
LOOP-
GND
MCLK IN
MCLK OUT
CS
DATA OUT
SCLK
DATA IN
COM
GND
C1
10nF
C2
500nF
160nF
Cc
6.2nF
HART
调制解调器
波形整形
带通滤波器
SD2015
图18. 具体的HART发射器实现
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SD2421
电流源
图19显示的是将SD2421用作电流源的应
用电路。给SD2421设置的电流(4mA至20mA)将
在R1上产生相应的基准电压。由于负反馈,R2
上也将产生相同的基准电压。R1与R2的比值决
VDD
VDD
定负载电阻RL的电流。IL=[1 + R1/R2]×IPROG,
其 中 IL 是 负 载 电 阻 RL 中 的 电 流 , 而 IPROG 是 给
SD2421 设 置 的 电 流 (4mA 至 20mA) 。 R1 和 R2 与
SD2421外部相连,且必须是匹配电阻,以实现
精确的电流源。
+5V
VCC
VCC
5V输出稳压器
OUT
VEE+
IN
2.2µF
4.7uF
10kΩ
1kΩ
VREF IN VREF2
CLOCK
VREF1
LV
VCC
DRIVE
COMP
CLOCK
VDD
VCC
10kΩ
1kΩ
DATA
SD2421
DATA
VDD
LOOP RTN
VCC
10kΩ
1kΩ
LATCH
COM
C1
10nF
C2
R1
C3
10nF
R2
3.3nF
RL
LATCH
VEE-
图19. 具体的电流源实现
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LOOP+
IN3611
0.1uF
IN3611
4.7uF
2.2uF
VDD
IRFF9113
VCC
DRIVE
微处理器
/存储器
GND
VLOOP
备用电池
图20显示的是SD2421在系统具有备用电
池的应用电路,其中电路的微控制器和存储器
部分受到保护,可防止在环路损坏时出现数据
丢失。失去VCC电源时,备份电路可以从VCC切
换至电池电压,而不会出现毛刺。IRFF9113在
正常工作期间用作电流源,给超级电容或镍镉
电池提供连续充电电流。丧失VCC时,IRFF9113
的栅极电压降至0V,从而允许电池或超级电容
电流流过MOSFET沟道和体二极管给微控制器
和存储器部分供电。若需校准备用电池充电电
流,可在电池或超级电容通路上串联一个电流
表,在连接VCC和负载的情况下,调整100kΩ
电位器以获取电池或超级电容制造商建议的
充电电流。
此应用中不应使用非充电电池,否则可能
发生爆炸。
100kΩ
超级电容
/电池
SD2421
LOOPRTN
LOOP-
COM
图20. 备用电池运用具体实现电路
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SD2421
电气特性
表 7. 极限参数
标识
参数
最小值
最大值
单位
TA
工作温度
-40
+85
°C
TS
储存温度
-65
+150
°C
VCC 至 COM
供电电压
-0.3
+7.0
V
模拟端口偏压
-0.3
VCC+0.3
V
数字端口偏压
-0.3
VCC+0.3
V
回流焊温度曲线
参考 IPC/JEDECJ-STD-020C
°C
DIP16 封装热阻
116
°C /W
SOP16 封装热阻
110
°C /W
DRIVE、BOOST、
COMP 至 COM
LATCH、CLOCK、
DATA 至 COM
TL
θJA
ESD
人体模型
V
2400
注意:
1.
2.
CMOS 器件易被高能静电损坏,芯片必须储存在导电泡沫,注意避免工作电压超出范围。
在插拔芯片前请关闭电源。
表 8. VCC=+3V~+5V;TA= TMIN ~TMAX;VREF IN=VREF2;使用DN2540 作为外部功率管。
标识
参数名称
最小值
典型值
最大值
单位
电源电压
VCC (3V)
2.98
3
3.02
V
VCC (3.3V)
3.28
3.3
3.32
V
VCC (5V)
4.97
5
5.03
V
条件
Line Regulation
1
Load Regulation
150
200
uV/mA
工作电流 (@3V)
397
480
uA
工作电流 (@5V)
432
520
uA
350
V
DN25D 击穿电压为 350V
8
ms
C1=C2=10nF , C3=3.3nF
环路输出阻抗
100
MΩ
AC 电压灵敏系数
0.5
uA/V
1200Hz~2200Hz
环路感性负载
50
mH
环路并联 0.1uF容性负载1
16
Bits
IDD
VCC+2
环路电压
满量程稳定时间
99.9%建立时间
uV/V
DAC
精度
分辨率
2
单调性
INL
16
Bits
±0.004
失调
失调漂移
±10
总输出误差
晶华微电子
±0.01
%of FS
FS=满量程输出电流
±0.02
%of FS
[email protected]+25℃,VCC=5V
±30
ppm of FS/℃
包括片上基准漂移
±0.1
%of FS
[email protected]+25℃,VCC=5V
包括片上基准漂移
总输出漂移
±10
±30
ppm of FS/℃
电源灵敏度
1
3
nA/mV
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SD2421
电压基准
输出电压
VREF2
2.494
温漂 TC
电流输出能力
V
±5
±10
ppm /℃
0.5
(-40℃~+85℃)
mA
60
输出阻抗
1
Ω
Noise
12
uVrms
(0.1Hz~10Hz)
1.245
温漂 TC
电流输出能力
REF_IN
2.506
电源灵敏度
输出电压
VREF1
2.5
350
uV/V
1.25
1.256
V
100kΩ 负载到地(COM)
±5
±10
ppm /℃
(-40℃~+85℃)
0.5
mA
电源灵敏度
30
160
uV/V
输出阻抗
2
Ω
Noise
7.6
uVrms
输入阻抗
57.5
kΩ
(0.1Hz~10Hz)
2
Digital Inputs
0.75*VCC
V
逻辑高电平
VIH
逻辑低电平
VIL
0.25*VCC
V
高电平电流
IIH
±1
uA
VIN =VCC
低电平电流
IIL
±1
uA
VIN =0V
10
Mbps
数据编码
二进制
串行数据速度
数据时钟周期
tCK
100
ns
数据时钟低电平
tCL
50
ns
数据时钟高电平
tCH
50
ns
数据稳定宽度
tDW
30
ns
数据建立时间
tDS
30
ns
数据保持时间
tDH
0
ns
锁存延时时间
tLD
50
ns
锁存信号低电平
tLL
50
ns
锁存信号高电平
tLH
50
ns
说明:
1
在SD2421 芯片外部FET管的漏端与LOOP RTN之间并联上 0.1uF的滤波电容。
2
设计保证,未经过生产测试。
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SD2421
0.005
0.015
0.004
0.01
INL误差(%FSR)
INL误差(%FSR)
0.003
0.002
0.001
0
0.005
最大值
0
最小值
-0.005
TA=25℃
INT VREF
VLOOP = 24V
4mA~20mA Range
-0.001
-0.002
INT VREF
VLOOP = 24V
4mA~20mA Range
-0.01
-0.015
-0.003
0
8192
16384
24576
32768
40960
49152
57344
-50
65536
-30
-10
10
Code
30
50
70
90
温度(℃)
图 21. 积分非线性误差 vs. DAC Code
图 22. 积分非线性 vs.温度
530
4.0025
510
4.002
4.0015
静态功耗(uA)
环路电流(mA)
490
4.001
4.0005
470
450
430
410
390
4
370
3.9995
350
2.7
3.2
3.7
4.2
4.7
5.2
-50
-30
-10
10
电源电压(V)
30
50
70
90
温度(℃)
图 23. 环路电流与 vs.电源电压(VCC)
图 24. 静态功耗 vs.温度(VCC=5V)
25
2.5004
20
2.5
数量比例(%)
VREF2电压(V)
2.5002
2.4998
2.4996
15
10
2.4994
5
2.4992
2.499
-50
0
-30
-10
10
30
50
70
温度(℃)
图 25. VREF2 基准电压 vs.温度
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90
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
温度系数(ppm/℃)
图 26. VREF2 基准电压温漂系数分布
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10
SD2421
封装规格
D
A3
A2 A
0.25
θ
A1
c
L
L1
b
b1
With plating
E1 E
c1 c
Base metal
Cross section B-B
e
b
B B
尺寸:毫米(mm)
标识
最小值
典型值
最大值
A
—
—
2.65
A1
0.10
—
0.30
A2
2.25
2.30
2.35
A3
0.97
1.02
1.07
b
0.35
—
0.44
b1
0.34
0.37
0.39
c
0.25
—
0.31
c1
0.24
0.25
0.26
D
10.10
10.30
10.50
E
10.26
10.41
10.60
E1
7.30
7.50
7.70
e
1.27BSC
L
0.55
L1
—
0.85
1.40BSC
θ
0.00
—
8°
图 27. SOP16(宽体)封装外形图
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SD2421
A3
A2
A1
b
e
B1
A
L
B B
eC
eA
c
D
eB
b
b1
With plating
E1
c1 c
Base metal
Cross section B-B
尺寸:毫米(mm)
标识
最小值
典型值
最大值
A
3.60
3.80
4.00
A1
0.51
—
—
A2
3.20
3.30
3.40
A3
1.47
1.52
1.57
b
0.44
—
0.53
b1
0.43
0.46
0.48
B1
1.52BSC
c
0.25
—
0.31
c1
0.24
0.25
0.26
D
18.90
19.10
19.30
E1
6.15
6.35
6.55
e
2.54BSC
eA
7.62BSC
eB
7.62
—
9.30
eC
0.00
—
0.84
L
3.00
—
—
图 28. DIP16 封装外形图
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