电路笔记 CN-0325 连接/参考器件 Circuits from the Lab™ reference circuits are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0325. AD7795 16位Σ-Δ型ADC，40nV噪声 AD8226 36V仪表放大器，CMR大于90dB ADT7310 ±0.5°C数字温度传感器 ADP2441 36V、1A、降压DC-DC稳压器 ADR441 超低噪声LDO XFET® 2.5V基准 电压源 ADP1720 50 mA、高电压线性稳压器 ADuM3471 集成变压器驱动器和PWM的 四通道隔离器 使用4引脚或6引脚端子板的PLC/DCS通用模拟输入 评估和设计支持 端子板(CH2)，电压、电流、热电偶和RTD输入全部共用 电路评估板 相同的4个端子，从而最大限度地减少了所需端子引脚的 CN0325评估板(EVAL-CN0325-SDPZ) 数量。对于6引脚端子板通道(CH1)，电压和电流输入共用 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 一组3个端子，热电偶和RTD输入共用另一组3个端子；这 设计和集成文件 需要更多端子，但其器件数量较少，元件成本也较低。图 原理图、布局文件、物料清单 2所示为PCB照片，图3所示为电路的详细原理图。 电路功能与优势 图1所示电路提供两个16位全隔离式通用模拟输入通道， 适用于可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模 块。两个通道均支持软件编程，以及多种电压、电流范围 和热电耦、RTD类型，具体如图1所示。输入通道提供±30 V 直流过压条件保护。 PC CURRENT: 0-20mA, 4-20mA, ±20mA VOLTAGE: 0-5V, 0-10V, ±5V, ±10V THERMOCOUPLE: Type K, J, T, S RTD: PT100, PT1000 CH1: 6-PIN TERMINAL BLOCK CURRENT: 0-20mA, 4-20mA, ±20mA VOLTAGE: 0-5V, 0-10V, ±5V, ±10V THERMOCOUPLE: Type K, J, T, S RTD: PT100, PT1000 CH2: 4-PIN TERMINAL BLOCK SDP-B BOARD 图1. 通用模拟输入通道概览 演示板含有两个不同的全隔离式通用输入通道，一个带4 图2. 通用模拟输入板 引脚端子板(CH2)，一个带6引脚端子板(CH1)。对于4引脚 Rev. PrA Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0325 CH2 – 4 Pin Terminal Block for Compact Solution AVDD 0.1µF 2.2kΩ ADG442 V1+ R2 2.2kΩ R3 S2 V1- R1 2.2kΩ 249Ω S4 I1 AVDD D1 R6 1MΩ VREF2+ R9 10kΩ INA1 S3 AIN1+ R10 2kΩ R7 1MΩ 2.5V –15V +15V 2.5V 24V AD7795 AIN2+ ADuM3471 AIN2– 5V ADP2441 P1 D2 R8 IOUT2 2.2kΩ R4 CS CLK VREF1+ 2.2kΩ R11 4.75kΩ DIN OUT VREF1– CLK, DIN, DOUT ADT7310 ADP1720 ADR441 VREF2– AIN1– IN1IN2 IN3 IN4 Vm DVDD IOUT1 AD8226 S1 5V (AVDD/DVDD) 0.1µF +15V –15V R5 DVDD CS_ADT, INT, CT GND CS_ADT, INT, CT ADuM1311 TO SDP_B AVDD CH1 – 6 Pin Terminal Block for further cost saving +15V –15V 0.1µF DVDD 0.1µF 5V (AVDD/DVDD) AD8226 INA1 V1+ R2 V1I1 R3 R1 249Ω 2.2kΩ R6 1MΩ 2.2kΩ R5 2.2kΩ R13 V+ D1 R10 2kΩ VREF2+ –15V +15V VREF2– AD7795 AIN2– D2 IOUT2 R11 4.75kΩ CS_ADT ADuM3471 CS CLK VREF1+ 2.2kΩ 2.5V AIN1– AIN2+ R4 ADT7310 AIN1+ ADP1720 IOUT1 2.2kΩ R8 2.2kΩ ADR441 2.5V R12 2.2kΩ VVm R7 1MΩ R9 10kΩ DIN OUT VREF1– P1 GND CLK, DIN, DOUT 图3. 功能框图(简化原理图： 未显示所有连接和去耦) 电路描述 ADuM1311三通道数字隔离器也用在4引脚端子板电路中， AD7795低噪声、16位Σ-Δ ADC搭载片内仪表放大器和基准 用于隔离ADG442开关的控制线路。数字和电源隔离采用 电压源，用于数据转换应用。片内仪表放大器和电流源为 ADuM3471实现，这是一款PWM控制器和变压器驱动器， RTD和热电偶测量提供了一种完整的解决方案。对于电压 搭载四通道隔离器，用于基于外部变压器产生±15 V隔离式 和电流输入，AD8226仪表放大器(其CMR大于90 dB)用于提 电源。 供高输入阻抗，抑制共模干扰。通过一个精密电阻分压器 ADP2441 36 V降压DC-DC稳压器对输入电源的容限较宽，是 将电压和电流信号缩放至ADC的范围之内。 可接受24 V工业电压的理想之选。最高可接受36 V电源，因 ADR441是一款超低噪声、低压差XFET® 2.5 V基准电压源， 而更有利于实现对电源输入进行可靠的瞬变保护。ADP2441 用作ADC的基准电压源。 将输入电压降至5 V，以驱动ADuM3471以及所有其他控制 对于4引脚端子板通道(CH2)，使用ADG442、低RON防闩锁 端电路。电路在24 V电源端还提供了外部保护功能。 开关来在电压、电流、热电偶和RTD输入模式之间切换。 Rev. PrA | Page 2 of 11 CN-0325 ADP2441还具有其他各种安全性/可靠性功能，如欠压闭锁 表2. 外部电源配置设置 (UVLO)、精确使能特性、电源良好引脚和过流限值保护。 还可以在24 V输入、5 V输出配置中实现最高90%的效率。 J4 硬件 图2所示为含4引脚端子板的通道位置以及含6引脚端子板 的通道位置。 同时显示了24 V电源输入的位置。 选择24V输入(默认) 的链路位 选择5V输入(默认) 的链路位 VCC1 VCC2 对于隔离栅的模拟输入端，有两种选项可用于驱动模拟电 路的5 V稳压电源。可使用ADP1720线性稳压器将15 V电源 降至5 V，也可使用ADuM3471的内置5 V稳压器。两种选项 的链路配置如表3所示。 CH1 – 6 - pin Terminal Block SDP-B CH2 – 4 - pin Terminal Block 表3. 现场5V电源配置设置 ADP1720 5V稳压器(默认) 的链路位 ADuM3471 5V稳压器 的链路位 J3 Vreg Vaum J9 Vreg Vaum CH2： 4引脚端子板通道 输入连接器 24V Supply Alternate 5V Supply 图4. 通道位置 通道选择 需要插入并切换跳线，以配置CH1和CH2之间的电源和SPI 信号，如表1所示。 表1. 通道选择配置设置 链路 编号 数字功能 选择CH1 (6引脚端子板) 的链路位 选择CH2 (4引脚端子板) 的链路位 JK0 5V电源 CH1 CH2 JK1 SCLK CH1 CH2 电压和电流 JK2 /CS CH1 CH2 P12连接器用于电压和电流输入连接。图11和图12所示为该 JK3 DIN CH1 CH2 输入连接和配置的简化原理图。支持的差分输入范围为： JK4 Dout CH1 CH2 0 V至5V、0 V至10V、±5V、±10 V、0 mA至20 mA、4 mA至 已插入 20 mA和±20 mA。在V1+和V1–之间连接电压或电流输入， JK11 TEMP_CS 未插入 图5. CH2输入连接器 因为电流输入会同时把V1+和I1引脚短接在一起。这样就 电源配置 用24 V电源来驱动评估板的控制器端。也可使用5 V电源， 旁路ADP2441电路。该5 V输入不具有任何过压保护功能， 连接了一个249 Ω精密电流检测电阻，其精度为0.1%，额定 值为0.25 W。 不得超过6 V。所用电源应通过J4链路选项进行配置，如表 2所示。 Rev. PrA | Page 3 of 11 CN-0325 热电偶 P12连接器也用于热电偶输入。可以连接多种热电偶类 型，包括J、K、T和S。热电偶连接于V1+和V1-输入之间 (图5)。下面的图6所示为将热电偶(例如，T型)连接到通用 型模拟输入板的方法。热电偶输入的简化原理图见图13。 图7. CH2 RTD连接器 CH1： 6引脚端子板通道 输入连接器 图6. CH2热电偶连接器 RTD P12、P13连接器用于RTD输入。硬件可以支持1000 Ω和100 Ω 铂RTD输入。对于3线模式，两条通用线连接至V1+和V1–， 回路连接至Vm(见图5)。下面的图7所示为将3线RTD传感 器连接到通用型模拟输入板的方法。RTD输入的简化原理 图见图14。 图8. CH1通道输入连接器。 简化输入示意图见图13。 电压和电流 P10连接器用于电压和电流输入连接。支持的差分输入范围 为：0 V至5 V、0 V至10V、±5V、±10V、0 mA至20 mA、4 mA 至20mA和±20 mA。在V1+和V1–之间连接电压或电流输入 (见图13)，尽管对于电流输入，同时还要把V1+和I1引脚短 接在一起，这样就连接了一个249 Ω精密电流检测电阻，其 精度为0.1%，额定值为0.25 W。 Rev. PrA | Page 4 of 11 CN-0325 热电偶 路连接至Vm(见图8)。下面的图10所示为将3线RTD传感器 P11连接器用于热电偶输入。可以连接多种热电偶类型， 连接到通用型模拟输入板的方法。 包括J、K、T和S。热电偶连接于V+和V-输入之间(图8)。 下面的图9所示为将热电偶(此例为T型)连接到通用型模拟 输入板的方法。 图10. CH1 RTD连接器 图9. CH1热电偶连接器 RTD P11连接器也用于RTD输入。硬件可以支持1000 Ω和100 Ω铂 RTD输入。对于3线模式，两条共用线连接至V+和V–，回 Rev. PrA | Page 5 of 11 CN-0325 简化输入电路示意图 V1+ V1I1 Vm 图11. CH2简化电压输入示意图 V1+ V1I1 Vm 图12. CH2简化电流输入示意图 V1+ V1I1 Vm 图13. CH2简化热电偶输入示意图 Rev. PrA | Page 6 of 11 CN-0325 V1+ V1I1 Vm 图14. CH2简化RTD输入示意图 V1+ V1I1 V+ VVm 图15. CH1简化输入示意图 软件安装 软件说明 通用模拟输入板附带一张CD光盘，其中含有用Labview设 1. 插 入 CD光 盘 (或 者 从 以 下 网 址 下 载 软 件 安 装 包 ： ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0325/) 计的评估软件。可将该软件安装到装有Windows XP (SP2)、 Vista(32位或64位)或Windows 7(32位或64位)的标准PC上。 2. 在CD或下载的文件中找到Setup.exe文件。双击该文 件，启动安装程序。 要使用评估软件，需要SDP-B(系统演示平台B版)。 在评估软件运行时，来自板载EEPROM的优化默认配置以 3. 按照屏幕指示操作，完成安装。 及校准参数将加载到软件中。评估软件允许用户通过通用 请先安装评估软件，再将评估板和SDP板连接到PC的USB 模拟输入板采集数据，可以对该数据进行分析，也可将其 端口，确保PC能够正确识别评估系统和SDP板。 安装完成 保存到文件中。分析结果以坐标图和数字格式显示在屏幕 后， 上。用户可以设置自己的配置和校准值，将其保存到板载 EEPROM中，软件会记录配置并在下次运行时自动上传。 1. 使 用 附 带 的 电 缆 ， 通 过 P C 的 U S B 端 口 连 接 EVAL-SDP-CB1Z。 2. 将EVAL-CN0325-SDPZ评估板连接至两个SDP连接器之一。 Rev. PrA | Page 7 of 11 CN-0325 3. 打开EVAL-CN0325-SDPZ(确保按“硬件”部分的要求正 确设置跳线) 4. 启动EVAL-CN0325-SDPZ软件(“CN0325.exe”)，然后确 认出现的所有对话框。 这样就完成了安装。 Configuration(配置)选项卡 Hardware Configuration(硬件配置)子选项卡 Hardware Configuration(硬件配置)子选项卡上的图片(见图 17)展示的是所选输入的正确跳线设置方法和接线方法。 使用软件 为确保结果的正确性，硬件上的跳线设置应与图片相同。 软件主面板如图16所示。硬件通过Configuration(配置)选 不同的输入选项列于下方： 项卡进行配置，该选项卡分为三个子选项卡，分别处理不 Circuit Type(电路类型)：有两个完全隔离式通用模拟输入电 同的功能。Acquisition Result(采集结果)选项卡显示来自ADC 路可供选择。“Type1- 6TB”：成本最低的解决方案，带6引 的所有数据，并将结果转换成相关单位。Calibration(校准) 脚传感器和信号连接端子；或者“Type2- 4TB”：一种更加紧 选项卡允许用户对任何范围进行校准。有关已连接SDP板 凑的解决方案，只带4引脚传感器和信号连接端子。 和软件的详情可在S/W Version Info(软件版本信息)选项卡 中找到。 Input Signal Type(输入信号类型)：评估板可以转换多类信 号，包括电压、电流、热电偶和RTD。一旦选定，就必须 选择所需范围的热电偶/RTD类型。 Capture Mode(捕获模式)：设置数据捕获方法。要么是单次 捕获模式，即只捕获指定数量的采样。要么是连续捕获模 式，即将连续捕获数据，直到用户停止采集为止。 AD7795配置子选项卡 对于在硬件配置选项卡中选择的每一类输入信号范围，都 会有相应的默认配置加载到通用模拟输入板中。本AD7795 配置选项卡(见图17)支持更高级的配置，并且具有较大的 灵活性，能够以不同于默认值的配置对板进行评估。 该选项卡的使用要求掌握具体的AD7795寄存器、功能和硬 件结构知识。配置不正确可能导致采集或运行错误。按钮 Recover All (Current) range to Default(将全部(当前)范围恢 复为默认值)用于恢复所选范围的默认配置。 图16. 评估软件主面板。 主窗口按钮 Connect to SDP(连接至SDP)：单击设置SDP板和评估板之间 的连接。 Disconnect to SDP(断开与SDP的连接)：单击断开SDP板与 评估板之间的连接。 Single Capture(单次捕获)：单击启动单次捕获。 Start (Stop) Acquisition(开始(停止)采集)：单击开始(停止) 连续捕获。 Save Data(保存数据)：将软件中显示的数据保存至文件，以 便进一步分析使用。 图17. AD7795配置页。 Quit(退出)：退出应用程序。 Rev. PrA | Page 8 of 11 CN-0325 ADT7310配置子选项卡 有一个板载温度传感器芯片ADT7310，在热电偶测量过程 中，该芯片靠近端子板，以实现冷结补偿。一般情况下， 会将默认配置加载到通用模拟输入板中。本ADT7310配置 选项卡(见图18)支持更高级的配置，并且具有较大的灵活 性，能够以不同于默认值的配置对板进行评估。该选项卡 的使用要求掌握具体的ADT7310寄存器、功能和硬件结构 知识。 图19. 采集结果选项卡，转换结果子选项卡 ADC RAW Data(ADC RAW数据)子选项卡 直接从ADC读取的采集数据以波形图显示在该子选项卡 中。同时对数据进行分析，以提供采样数、均值、最小 值、最大值、rms和峰峰值噪声以及rms和峰峰值分辨率。 Histogram(直方图)子选项卡 直方图选项卡(见图20)清楚地显示了已捕获的RAW ADC数 据的分布情况。该图表可以用来评估噪声和采集稳定性。 图18. ADT7310配置页。 Acquisition Result(采集结果)选项卡 Converted Result(转换结果)子选项卡 基于来自数据转换器的RAW数据以及通道配置和校准值， 将结果转换成相关的单位。数据以波形图显示在该子选项 卡中(见图19)。同时对数据进行分析，以提供采样数、均 值、最小值、最大值、rms和峰峰值噪声以及rms和峰峰值 分辨率。 图20. 采集结果选项卡，直方图子选项卡 Rev. PrA | Page 9 of 11 CN-0325 Calibration(校准)选项卡 软件版本信息选项卡 该软件同时为每一种输入信号和传感器类型提供了独立的 图22展示的是软件版本信息选项卡的图片。该选项卡提供 校准参数。这样，用户就可以准确地校准系统失调和增 有关已连接SDP板的信息。 益，以使系统实现高直流精度(见图21)。校准参数可以存 单击Flash LED(闪烁LED)按钮，结果将使SDP上的LED灯闪 储到板载EEPROM中，以便以后使用。完整的校准同时要 求进行零电平校准和满量程校准。 烁，同时表示SDP与评估板之间已成功建立连接。 单击Read Firmware(读取固件)按钮，结果将读取SDP平台上 的当前代码信息。 图21. 校准页。 以下步骤将确保校准的准确性。 图22. 软件版本信息选项卡 1. 选择要校准的输入范围 每个参数的意义列出如下： 2. 应用Zeroscale Value(零电平值)中指定的正确输入信号， 单击按钮Zero Calibrate(零校准)。按提示操作，完成 零电平校准。 3. 应用Fullscale Value(满量程值)中指定的正确输入信号， 单击按钮Zero Calibrate(零校准)。按提示操作，完成 满量程校准。 Major Rev(重大修订号)：重大代码修订编号 Minor Rev(微小修订号)：微小代码修订编号 HostCode Rev(主机代码修订号)：用于开发固件的主机代码 的版本号 BlackFinCode Rev(BlackFin代码修订号)：固件的BlackFin代 4. 单击按钮Save into EEPROM(保存至EEPROM) 码修订编号 校准参数将存入ADC的内部校准寄存器。只有当用户单击 按钮保存至EEPROM时，新的校准值才会永久性地保存至 Date(日期)：代码编译日期 Time(时间)：代码编译时间 EEPROM，并在下次选择该范围时加载。 工 厂 默 认 校 准 值 的 副 本 存 储 在 板 载 EEPROM中 。 单 击 Recover to Default(恢复默认值)按钮，所有校准值将恢复至 工厂默认值。 Rev. PrA | Page 10 of 11 CN-0325 了解详情 数据手册和评估板 CN-0325 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0325-DesignSupport AD7795 Data Sheet AD779x Instrumentation Converters -Frequently Asked Questions ADT7310 Data Sheet MT-004 The Good, the Bad, and the Ugly Aspects of ADC Input Noise—Is No Noise Good Noise? ADR441 Data Sheet AD8226 Data Sheet ADP2441 Data Sheet ADP1720 Data Sheet MT-022 Tutorial,ADC Architectures III: Σ-Δ ADC Basics, Analog Devices. ADuM3471 Data Sheet MT-023 Tutorial, ADC Architectures IV: Σ-ΔADC Advanced Concepts and Applications, Analog Devices. System Demonstration Platform (EVAL-SDP-CB1Z) MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND", Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices. Chen, Baoxing. 2006. iCoupler Products with isoPower Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers, Analog Devices. Inside iCoupler® Technology:ADuM347x PWM Controller and Transformer Driver with Quad-Channel Isolators Design Summary. By Flow Zhao, Design Engineer, Analog Devices. Slattery, Colm, Derrick Hartmann, and Li Ke. “PLC Evaluation Board Simplifies Design of Industrial Process Control Systems.”Analog Dialogue (April 2009), Analog Devices. (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. 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