图1所示电路提供了一个完整的全隔离、高灵活性的四通道模拟输入系统，适用于需要多电压输入、HART兼容、4 mA至20 mA电流输入等要求的可编程逻辑控制器(PLCs)和分布式控制系统(DCS)。

此模拟输入电路是为分组隔离的工业模拟输入而设计，可支持的电压和电流输入范围包括±5 V、±10 V、0 V至+5 V、0 V至+10 V、+4 mA至20 mA和0 mA至+20 mA。

该电路由标准的24 V总线供电，并产生一个隔离的5 V系统供电电压。

数据转换由24位Σ-Δ模拟至数字转换器(ADC) AD7173-8 来完成。AD7173-8可由软件配置，允许8路全差分或16路单端输入通道，通过内置交叉多路复用器提供极大的灵活性。AD7173-8采用小型6 mm × 6 mm LFCSP封装，是空间尺寸受限场合下的一个理想选择。内部时钟和精密2.5 V电压基准减少了外部组件，进一步节省了空间。四个可编程通用输出引脚(GPIO0，GPIO1，GPO2，GPO3)允许控制外部多路复用器，因此可以控制切换多路HART接口，从而减少从处理器/控制器的额外连线。AD7173-8具有内部校准寄存器，可以编程来提供全输入路径上的偏置和增益校准。

AD5700-1是业内最低功率、最小封装、HART兼容的调制解调器，与电流输入通道一起形成HART兼容的，4 mA到20 mA接收器解决方案。AD5700-1包括一个内部精密振荡器，可以额外节省空间，尤其是在隔离应用中。

ADG704 多路复用器提供多路电流输入通道与HART之间的连接。

ADuM5211将两个数据通道(Tx，Rx)隔离，并且通过集成的isoPower®技术提供了5 V电源隔离。 ADuM3151 PIsolator提供串行外围接口(SPI)隔离，时钟速率可以高达17 MHz(B级)，同时可隔离三个附加的数据通道。

ADP2441 是36 V，降压调节器，可接受工业标准24 V电源供电，具有宽输入电压。ADP2441将输入电压降至5 V，为所有控制器侧电路供电。该电路还包括标准24 V输入端外围保护。

 

图1. PLC/DCS四通道电压和电流输入前端(简化原理图：未显示所有连接及去耦电路)

电压输入电路

图2显示通道1的电压输入网络。 

电流输入电路

图3显示通道1的电流输入网络。

 

图3.电流输入等效电路(简化)

 
该电路具有四个电流输入的通道，支持最大输入范围0 mA到24 mA。电路输入阻抗是250 Ω，输入参考为地。使用一个100 Ω精密电流检测电阻，因此24 mA输入产生2.4 V，在AD7173-8的2.5 V(使用内部的2.5 V电压参考)输入范围之内。评估板默认安装电阻为0.1%，10 ppm/°C电阻。

ADC输入分为两个输入路径。快速输入路径用于不使用HART的通道，低速输入路径用于使用HART的通道。

快速输入路径允许Σ-Δ ADC的信号输入全带宽的信号。也可能使用内部sinc滤波器滤除1.2 kHz和2.2 kHz的HART频率。然而，使用sinc滤波器需要在400 SPS数据速率(sinc3滤波器筛选)下运行相关通道，这将增加所有四个通道所需的转换时间。

慢输入通道包含16 Hz双极点滤波器，滤掉1.2 kHz和2.2 kHz的HART数字信号频率。使用此输入，Σ-Δ ADC可以仍然运行在快速数据速率下，同时滤除HART数字信号频率。所有四个通道的转换时间不会增加。如果所有通道的HART不全使能，ADC运行在快速数据率下尤其有用。

表2中总结了电流输入线路参数。

表2.电流输入线路参数(基于最坏情况计算的最大值)

参数	数值	单位	测试条件/注释
输入阻抗	250	Ω	接地
源自电阻的误差	N/A1	%FSR max	每个RSENSE 电阻规格
源自电阻漂移的误差	N/A1	ppm/°C max	每个 RSENSE 电阻规格
源自基准漂移的误差	10	ppm/°C max	内部基准
数据速率	31.25 1.55 6.25	kSPS kSPS SPS	使能1输入(14.8位无噪声编码分辨率，用于0 mA到20 mA) 4个通道，每通道完全稳定，sinc5+1的滤波(14.8位峰峰值分辨率，用于0 mA到20 mA) 4个通道，每通道完全稳定，50 Hz/60 Hz抑制(18.1位峰峰值分辨率，用于0 mA到20 mA)
输入滤波器	27 16	kHz Hz	快速输入 提供HART滤波的低速输入

¹ N/A = 不适用


HART输入和输出电路

图4显示了HART输入和输出电路。

图4. HART输入与输出电路(简化)

HART的功能是在四个电流输入通道间进行复用。通过两个 ADG704 多路复用器(图4中SW1和SW2)，实现HART输入和输出网络在四个通道上共享。

HART输入电路由R3、C1、C2、R4、R5组成的HART带通滤波器组成。AD5700-1 的数据手册有此滤波器的描述。每个通道使用一个开关(SW1)来将HART输入线路切换到HART激活通道。每个通道上都有一个150 kΩ的电阻(R3)，它是带通滤波器的一部分，同时给开关SW1提供了额外的保护。HART输入直接连接到电流输入端，以确保AD5700-1的ADC_IP引脚可以接收到正确的电压电平。

每个通道使用一个开关SW2来将HART输出线路切换到激活通道。电容C3用来耦合HART信号。需要仔细选择R1、C3、R6，R7的组合，以确保AD5700-1的HART_OUT引脚的电压在25 Hz、4 mA至20 mA的输入信号(对于HART使能器件，代表最快的可允许速率)下不低于GND。

图5.供电电路(简化原理图：未显示所有的连接)

 

电源电路

评估板由5.5 V至36 V直流电源供电，并使用板上开关稳压器为系统提供5 V电压，如图5所示。在测试设置中，5 V电压为 EVAL-SDP-CB1Z 演示平台(SDP)评估板供电。EVAL-SDP-CB1ZSDP板提供VIO的3.3V电压。

即使使用小尺寸电感，ADP2441 的高开关频率也能够提供最小的输出电压纹波。电感尺寸的选择需要在效率和瞬态响应之间权衡。小电感会引起大的电感电流纹波，可提供良好的瞬态响应，但效率会降低。由于ADP2441的高开关频率，建议使用屏蔽的铁氧体磁芯电感，因为此类电感的铁芯损耗和电磁干扰(EMI)都低。

图5电路中，开关频率大约为1 MHz，由88.7 kΩ外部电阻设定。12 μH的电感(线艺LPS6235-123MLC)是按照ADP2441数据手册的表8进行选择的。

该电路通过螺丝端子连接到5.5 V至36 V的供电电源。EARTH端可以与外部的大地连接，不使用外部接地时刻连接至GND端子。

功率电感(DR73-102-R)，压敏电阻(V56ZA3P，56 V)，功率二极管(S2A-TP，50 V)和一个1.1 A的保险丝提供额外的输入电压瞬变保护。

噪声测试

短接每个通道的输入端子进行系统噪声的评估，这样会使得每个输入通道的差分电压为零，且每个电流输入通道的输入接地。输入短路时采集数据，从样本数中计算代码的分布和无噪声编码分辨率。

可使用 CN-0364 评估软件来进行噪声试验。可以得到每个通道代码的分布和无噪声编码分辨率，数据显示在直方图中。图6直方图是由通道1电压输入采集的样本数据。

图6.通道1电压输入、输入短路，偏置到参考电压，31.25 kSPS，Sinc5+1滤波器，2000个采样(15.8位无噪声编码分辨率)

HART测试

HART功能进行测试按照HART物理层测试规范(HCF-试验-2)进行。该电路满足HART物理层的要求。有关HART规格的更多细节可以直接从HART通信基金会获取。

ADC输入对HART 1.2 KHz和2.2 KHz信号的抑制进行了测试。表3显示测试结果。

表3. 1.2KHz和2.2 KHz HART频率的抑制

操作模式	频率(kHz)	抑制(dB)
低速输入路径，31 kSPS Sinc5 + 1滤波	1.2 2.2	60.5 66.5
快速输入路径，400 SPS Sinc3滤波	1.2 2.2	≥74.4 66.6

EVAL-CN0364-SDPZ 评估板的完整设计支持包，包括原理图、BOM和布局，可以从 www.analog.com/CN0364-DesignSupport下载。

需要高信道数据速率时，ADC可以使用AD7175-2。AD7175-2支持最高250 kSPS 的数据速率，具有最高50 kSPS 的信道切换速率。AD7175-2可以在250 kSPS数据速率下实现17.2无噪声位的分辨率。除了更高的数据率外，AD7175-2的特性与AD7173-8类似。

应用中隔离电源的功率高于150 mW 时，可以使用 ADuM540x 或 ADuM347x。ADuM540x 采用 isoPower 技术，可提供高达500 mW的隔离电源。ADuM347x驱动外部分立变压器，高达70%的效率提供高达2W的功率。

图1中所示的电路使用EVAL-CN0364-SDPZ评估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP控制器板。

EVAL-CN0364-SDPZ评估板具有PMOD兼容的端子，可与外部控制器板集成。

CN-0364评估软件与SDP板通讯，并对EVAL-CN0364-SDPZ评估板进行配置并从其获取数据。 

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