CN0395
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评估硬件
产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板
- EVAL-CN0209-SDPZ ($75.00) Fully Programmable Universal Analog Front End for Process Control Applications
- EVAL-SDP-CB1Z ($99.00) Eval Control Board SDP
驱动/参考代码
Software such as C code and/or FPGA code, used to communicate with component's digital interface.
AD7193 - No-OS Driver for Renesas Microcontroller Platforms
AD7193 - No-OS Driver for Microchip Microcontroller Platforms
优势和特点
- 适合过程控制的完整模拟前端
- 输入包括RTD、热电偶、4-20Ma、+/- 10V
- 在各种输入类型之间轻松切换
电路功能与优势
图1所示电路是一款适合过程控制应用的完全可编程通用模拟前端(AFE)。它支持下列输入：2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入。
如今，许多模拟输入模块使用线链路（跳线）来配置客户输入要求，配置和重新配置输入需要时间、知识和手动干预。本电路提供一个用来配置工作模式的软件可控开关以及用来激励RTD的恒流源。本电路也可以重新配置，以便设置热电偶配置的共模电压。一个差分放大器用来调理Σ-Δ ADC的模拟输入范围。本电路以最低的成本提供业界领先的性能。
由于AD8676 和 AD8275 提供电压增益，因此该设计特别适合小信号输入、所有类型的RTD或热电偶。
AD7193 是一款24位Σ-Δ型ADC，可配置为四路差分输入或八路伪差分输入。ADuM1400 和 ADuM1401在微控制器与ADC之间提供所需的全部信号隔离。本电路还含有标准外部保护功能，符合IEC 61000标准。
图1. 适合过程控制应用的通用可编程模拟前端（原理示意图：未显示所有连接和去耦）
电路描述
本电路针对过程控制应用提供一款完全可编程的通用模拟前端(AFE)，支持2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入，如图2的配置图所示。
串行控制的8通道单刀单掷开关 ADG1414用于配置选定的测量模式。
图2. 模拟输入配置表
电压测量
本电路支持最高达±10 V的单极性和双极性信号测量。输入信号先通过一个信号调理级，然后由AD7193 ADC执行转换。AD8676放大器缓冲输入信号，然后由增益级放大。AD8275用来对输入信号进行电平转换，并提供增益，使其符合AD7193的输入范围。与REF引脚相连的共模电压用来偏置AD8275的输出。此电压由4.5 V精密基准电压源 REF194 产生。
RTD测量
如连接表所示，本电路支持2/3/4线RTD配置。此时，传感器是一个1000 Ω铂(Pt) RTD（电阻温度检测器）。最精确的配置是4引脚RTD配置。在所示的应用中，外部200μA电流源提供RTD所需的激励电流，AD7193在16倍增益下工作，使电路的动态范围达到最大。选择RTD测量模式时， AD8617 放大器被配置为电流源。选择热电偶测量时，它在闭环中重新配置，以便设置共模电压。AD8617是一款双通道低噪声放大器，因此它能同时驱动电路板上的两个输入通道。配置电流源的电阻必须具有低温度系数，以免在测量电路中引入温漂误差。
热电偶测量
在热电偶应用中，以ADC外部的绝对基准电压为基础来测量热电偶所产生的电压。冷结补偿利用16位温度传感器ADT7310 实现。因为热电偶的信号较小，同时为使电路的动态范围达到最大，所以AD7193在128倍的最高增益下工作。输入通道具有缓冲功能，因此需要时可将大去耦电容置于前端，以便于消除可能出现在热电偶引脚上的噪声影响。热电偶测量所用的共模电压由放大器AD8617提供。
4 mA至20 mA电流测量
本电路还支持4 mA至20 mA电流测量。利用片上检测电阻将电流转换为电压。为在电流测量模式下使用ADC的全部动态范围，使用一个200 Ω电阻。该检测电阻必须具有低温度系数，以免在测量电路中引入温漂误差。
稳压器和基准电压源的选择
本电路选择 ADP1720 作为5 V稳压器。
ADP1720是一款高压微功耗线性稳压器，特别适合工业应用。本电路选择4.5 V REF194作为基准电压源，E级器件在25°C时的初始精度为±2 mV，最大温漂为5 ppm/°C。它是一款低压差器件，功耗小于45 μA，额定工作温度范围为−40°C至+125°C。
隔离
ADuM1400和ADuM1401是基于ADI公司 iCoupler® 技术的四通道数字隔离器，用来在现场端与系统微控制器之间实现隔离，隔离额定值为2.5 kV rms。ADuM1400使用4条线，全部用于发送数据（SCLK、DIN、ADG1414、ADT7310）。ADuM1401也使用4条线，1条线用于发送数据( AD7193)，3条线用于接收数据（INT1、INT2、DOUT）。DIN、DOUT和SCLK线连接到SPORT接口。
该设计还包括外部保护功能，如标准保护二极管和瞬变电压抑制器（TVS器件）等，用以增强电路的鲁棒性。更多信息参见CN0209设计支持包中的原理图和其它资源：http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport。
表1：基于1000个采样点的实测性能
| 输入 | AD7193 配置 | 均方根噪声 (nV) | 有效分辨率（位） |
| ±10V 输入范围 | 增益 = 1；50 Hz和60 Hz抑制；输出数据速率 = 50 Hz | 7940 | 19.15 |
| 4 mA 至20 mA范围 | 增益 = 1；50 Hz和60 Hz抑制；输出数据速率 = 2.63 Hz | 931 | 22.24 |
| RTD | 增益 = 16；50 Hz和60 Hz抑制；输出数据速率 = 2.63 Hz | 243 |
20.29 |
| 热电偶 | 增益 = 128；50 Hz和60 Hz抑制；输出数据速率 = 2.63 Hz | 220 |
19.23 |
表1显示了其它模式下基于1000个ADC数据采样点的性能。
图3显示配置为双极性输入模式并且输入接地时AD7193输出性能的直方图。该直方图显示了等效输入噪声的影响。这种模式实现的有效分辨率为19.2位。
图3. AD1793噪声分布直方图（1000样本，50 Hz数据速率，增益 = 1，输入 = 4.5 V基准电压）
电路评估与测试
设备要求
- 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC
- EVAL-CN0209-SDPZ 电路评估板
- EVAL-SDP-CB1Z SDP 评估板
- CN0209 评估软件
- +15 V和–15 V电源
- RTD温度传感器
- 热电偶
开始使用
将CN0209评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。
电路的功能框图参见本电路笔记的图1，电路原理图参见“EVAL-CN0209-SDPZ-SCH-Rev0.pdf”文件。此文件位于CN0209设计支持包中： http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport
设置
EVAL-CN0209-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CON A”的连接器。通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。在断电情况下，将一个+15 V电源连接到板上标有“+15 V”的引脚，将一个−15 V电源连接到板上标有“−15 V”和“GND”的引脚。SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意：此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。
测试
为连接到EVAL-CN0209-SDPZ电路板的±15 V电源通电。启动评估软件，并通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB连接器。
一旦USB通信建立，就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0209-SDPZ板的串行数据。
电压测量
若要测量电压测量电路的噪声，请将输入J3和J4同时接地，然后点击软件中相应通道的按钮：V1（若使用通道1）或V2（若使用通道2）。
若要测量电压，请按照图2（模拟输入配置表）所示连接输入J3和J4，然后如上所述，点击软件中的相应按钮。
结果以波形和直方图显示。可以使用切换按钮选择电压测量结果的刻度：μV、mV或V。
RTD测量
若要通过RTD温度传感器测量温度，请按照图2所示连接输入J1、J2、J3和J4。RTD 2线、3线或4线各对应一种连接配置。然后，点击软件中的相应按钮（RTD1表示通道1，RTD2表示通道2）。
可以使用波形上方的切换按钮来选择测量结果的显示单位：华氏度、摄氏度或开氏度。
热电偶测量
若要通过热电偶测量温度，请按照图2所示连接输入J1、J2、J3和J4。选择所用的热电偶类型（B、E、J、K、R、S、T、N），然后点击软件中的TC按钮（TC1表示通道1，TC2表示通道2）。
可以使用波形上方的切换按钮来选择测量结果的显示单位：华氏度、摄氏度或开氏度。
电流测量
若要测量电流，请按照图2所示连接输入J5和J6，然后点击软件中的相应按钮（I1表示通道1，I2表示通道2）。
可以使用切换按钮选择电流测量结果的刻度：μA、mA或A。
有关SDP板的信息，请参阅SDP用户指南。
讨论
样片申请及购买
样片
| 产品 |
描述 |
可提供样片的 |
| AD8676 | 超高精度、36 V、2.8 nV/√Hz双路RRO运算放大器 | AD8676ARMZ AD8676ARZ AD8676BRMZ AD8676BRZ |
| ADG442 | LC2MOS 四通道单刀单掷开关 | ADG442BRZ |
| AD8275 | G = 0.2、电平转换、16位ADC驱动器 | AD8275ARMZ AD8275BRMZ |
| ADT7310 | ±0.5°C精度、16位数字SPI温度传感器 | ADT7310TRZ |
| AD7193 | 内置PGA的4通道、4.8 kHz、超低噪声、24位Σ-Δ ADC | AD7193BCPZ AD7193BRUZ |
| ADG1414 | 9.5 Ω RON ±15 V/+12 V/±5 V iCMOS 串行控制八通道单刀单掷开关 | ADG1414BCPZ-REEL7 ADG1414BRUZ |
| ADUM1401 | 四通道数字隔离器（3/1通道方向性） | ADUM1401ARWZ ADUM1401BRWZ ADUM1401CRWZ ADUM1401WSRWZ ADUM1401WTRWZ |
| adum1400 | 四通道数字隔离器（4/0通道方向性） | ADUM1400ARWZ ADUM1400BRWZ ADUM1400CRWZ ADUM1400WSRWZ ADUM1400WTRWZ |
| ADP1720 | 50 mA、高压、微功耗线性稳压器 | ADP1720ARMZ-3.3-R7 ADP1720ARMZ-5-R7 ADP1720ARMZ-R7 ADP1720TRMZ-EP ADP1720TRMZ3.3-EP ADP1720TRMZ5-EP |
| REF194 | 4.5V精密、微功耗、低压差、低压基准电压源 | |
| AD8617 | 低成本、微功耗、低噪声CMOS RRIO双通道运算放大器 | AD8617ACPZ-R7 AD8617ARMZ AD8617ARZ |
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