适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

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。


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